plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file
Transkrypt
plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file
KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN – ODDZIAà W POZNANIU Vol. 29 nr 3 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2009 MIROSàAW CHOLEWA, MARIA DZIUBA KAàUĩA ANALIZA WYBRANYCH WàAĝCIWOĝCI STRUKTURALNYCH I WYTRZYMAàOĝCIOWYCH ALUMINIOWYCH ODLEWÓW SZKIELETOWYCH W artykule przedstawiono geometriĊ przykáadowego szkieletu i rdzenia opartą na osiemnastoĞcianie „hydraulicznym” oraz technologie wykonania rdzenia. Opracowano warunki technologiczne wytwarzania zamkniĊtych odlewów szkieletowych ze stopów AlSi. Celem badaĔ byáa analiza stopnia rozdrobnienia i jednorodnoĞci struktury odlewów szkieletowych oraz wáaĞciwoĞci uĪytkowych tych odlewów. W związku z tym zmierzono odlegáoĞci gaáĊzi drugorzĊdowych dendrytów (DAS) w charakterystycznych obszarach wykonanych odlewów. W badanych odlewach odlegáoĞci wtórnych osi dendrytów DAS roztworu Į osiągają najmniejsze wartoĞci w obszarze stanowiącym geometryczne naroĪe Ğcian zewnĊtrznych zamykających odlew próbny, aczkolwiek są to wartoĞci zbliĪone do wartoĞci we wszystkich charakterystycznych obszarach. Zbadano wytrzymaáoĞü na Ğciskanie próbek z odlewów szkieletowych. NajwiĊkszą wartoĞü tej wytrzymaáoĞci uzyskano dla odlewu wykonanego przy parametrach technologicznych ujmujących temperaturĊ zalewania, temperaturĊ formy oraz wysokoĞü ukáadu wlewowego, a mianowicie: Tzal = 1013 K, Tformy = 333 K, h = 265 mm. Opracowane warunki technologiczne umoĪliwiają wytworzenie odlewów o wymaganej zewnĊtrznej i wewnĊtrznej postaci geometrycznej i korzystnych wáaĞciwoĞciach strukturalnych i wytrzymaáoĞciowych. Sáowa kluczowe: odlew szkieletowy, stop AlSi, mikrostruktura, wytrzymaáoĞü na Ğciskanie 1. WPROWADZENIE Odlewy szkieletowe stanowią swego rodzaju konstrukcje zbliĪone wáaĞciwoĞciami do nowoczesnej grupy materiaáów porowatych. Podobnie jak one, stwarzają moĪliwoĞü stosowania na: zbiorniki ciĞnieniowe mediów gazowych i ciekáych (np. wodór, ozon), strefy kontrolowanej adsorpcji energii kinetycznej w samochodach (np. zderzaki, podáuĪnice), ramy i elementy noĞne Ğrodków transportu, korpusy obrabiarek, podstawy i konstrukcje noĞne maszyn, pancerze militarne, elementy osáon antyradarowych. Ze wzglĊdu na potencjalne szerokie Dr hab. inĪ. Instytut Materiaáów InĪynierskich i Biomedycznych Politechniki ĝląskiej w Gliwicach. Mgr inĪ. Praca jest wynikiem realizacji projektu o numerze N 507 152 31/ 0253. 12 M. Cholewa, M. Dziuba KaáuĪa spektrum stosowania istotna jest analiza wáaĞciwoĞci strukturalnych i uĪytkowych przestrzennych odlewów szkieletowych, takĪe w odniesieniu do kompozytów wytworzonych ze wzmocnieniem szkieletowym. W projektowaniu odlewów szkieletowych kluczowe znaczenie ma dobór geometrii i materiaáu rdzenia. Proces wykonania odlewu szkieletowego – ze wzglĊdu na duĪą powierzchniĊ stygniĊcia w porównaniu z tradycyjnymi odlewami – wymaga uĪycia na rdzeĔ materiaáów termoizolacyjnych. Dlatego w odlewach moĪna siĊ spodziewaü struktur gruboziarnistych. Do wykonania odlewów szkieletowych zastosowano róĪne stopy okoáoeutektyczne, poniewaĪ z zaáoĪenia krystalizują one w drobnoziarnistych strukturach. W opracowaniu przedstawiono szkielety wykonane ze stopu AlSi11. 2. WYKONANIE RDZENI ODLEWÓW SZKIELETOWYCH Do wykonania rdzeni uĪyto szablonu peániącego funkcjĊ rdzennicy, umoĪliwiającego powtarzalne, precyzyjne wykonanie w ksztaátce rdzeniowej otworów w trzech prostopadáych páaszczyznach. Na rysunku 1 pokazano pojedynczą komórkĊ rdzenia o optymalnej geometrii osiemnastoĞcianu „hydraulicznego” wraz z charakterystycznymi wymiarami. W zaleĪnoĞci od materiaáu rdzenia stosuje siĊ róĪne warianty ubytkowych technik ksztaátowania otworów. Do wykonania rdzeni odlewów bĊdących przedmiotem opracowania uĪyto materiaáu glinokrzemianowego o wáaĞciwoĞciach termoizolacyjnych. Materiaá na rdzeĔ uzyskano z glinokrzemianowych wáókien dáuRys. 1. Komórka rdzenia z charakterystycznymi wy- goĞci 3 mm, które tworzą dyspermiarami sjĊ w wodnym roztworze nieFig. 1. The core cell with characteristic dimensions organicznego Ğrodka wiąĪącego i Ğrodka organicznego regulującego lepkoĞü. Z powstaáej zawiesiny uzyskano ksztaátki rdzeniowe metodą odlewania próĪniowego. W tablicy 1 zamieszczono wáaĞciwoĞci materiaáów glinokrzemianowych, z których wykonano rdzeĔ odlewu szkieletowego. Materiaá glinokrzemianowy charakteryzuje dobra odpornoĞü na wysoką temperaturĊ, dochodzącą do 1430oC (1700 K), oraz bardzo maáy wspóáczynnik przewodzenia ciepáa (O = 0,037 W/(mK)). Materiaá ten zostaá wytypowany do wykonania rdzenia odlewu szkieletowego. Przewodnictwo cieplne potencjalnych Analiza wybranych wáaĞciwoĞci strukturalnych i wytrzymaáoĞciowych … 13 materiaáów rdzeniowych w zaleĪnoĞci od gĊstoĞci masy i temperatury przedstawiono w tablicy 2. Tablica 1 WáaĞciwoĞci i skáad materiaáów glinokrzemianowych uĪytych na rdzenie odlewów szkieletowych [3] Properties and constitution of aluminum silicates applied for cores in skeleton castings [3] Skáad chemiczny odmian materiaáu SiO2 Al2O3 + ZrO2 Temperatura graniczna Ciepáo wáaĞciwe przy 1173 K A B 53 ÷ 55% 45 ÷ 47% 1260°C 46 ÷ 48% 52 ÷ 54% 1430°C 969 J/(kgK ) Rys. 2. Geometria rdzenia odlewu szkieletowego Fig. 2. Core geometry in skeleton casting Na rysunku 2 pokazano geometriĊ rdzenia – uzyskano otwory ukáadające siĊ w przestrzenną, prostopadáą sieü. ĝrednice kanaáów przyjĊto równe 5 mm. Kanaáy rdzenia tworzące áączniki szkieletu odpowiadają krawĊdziom szeĞcianu o dáugoĞci 15 mm. M. Cholewa, M. Dziuba KaáuĪa 14 Tablica 2 Przewodnictwo cieplne materiaáów rdzeniowych w zaleĪnoĞci od gĊstoĞci masy i temperatury [3] Thermal conductivity of core materials regarding the mass density and temperature [3] Materiaá Temperatura [K] A B gĊstoĞü [kg/m3] 250 300 przewodnictwo cieplne [W/(m·K)] 573 773 973 1173 1373 1573 0,086 0,118 0,167 0,246 0,339 0,413 0,093 0,119 0,158 0,222 0,302 0,33 Rys. 3. Glinokrzemianowy rdzeĔ odlewu szkieletowego Fig. 3. Aluminium silikon core of the skeleton casting Przedstawiony na rys. 3 gotowy rdzeĔ posáuĪyá do wykonania odlewu szkieletowego. RdzeĔ pozwala na wytworzenie przestrzennej wewnĊtrznej struktury otwartych lub zamkniĊtych odlewów szkieletowych. ZamkniĊte odlewy szkieletowe, jako trudniejsze technologicznie, posáuĪyáy za odlewy próbne w badaniach. 3. WYKONANIE ODLEWÓW SZKIELETOWYCH Do wykonania odlewów próbnych uĪyto odlewniczego stopu aluminiowego AlSi11. Stop ten jest zalecany do stosowania na odlewy o skomplikowanych ksztaátach. Skáad chemiczny stopu przedstawiono w tablicy 3. Dobrano go wedáug normy PN-EN 1706:2001 i uzupeániono dodatkiem 0,4% Sb. Analiza wybranych wáaĞciwoĞci strukturalnych i wytrzymaáoĞciowych … 15 Tablica 3 Skáad chemiczny odlewniczego stopu aluminium AlSi11 wedáug PN-EN 1706:2001 wyraĪony w procentach masy [8] Chemical constitution of the aluminum alloy AlSi11 according to PN-EN 1706:2001 described in mass percentage [8] Pierwiastek Skáad [%] Si Fe Mg Mn Cu Zn Ti Al 10,0 ÷11,8 0,15 0,45 0,10 0,03 0,07 0,15 reszta W badaniach wykorzystano antymon w celu obniĪenia napiĊcia powierzchniowego ciekáego stopu, zminimalizowania tworzenia tlenków Al2O3 na froncie strugi, a zatem w celu maksymalizacji lejnoĞci stopu. Jego modyfikujące dziaáanie na strukturĊ uznano za drugoplanowe. Rys. 4. ZamkniĊty szkieletowy odlew aluminiowy po usuniĊciu górnej Ğciany zamykającej Fig. 4. Closed aluminum skeleton casting after removal of the upper wall Odlewy próbne wykonano z nastĊpującymi zaáoĪeniami geometrycznymi: – wymiary odlewu: 125 u 70 u 125 mm, – gruboĞü Ğcian zewnĊtrznych: 6 mm, – wysokoĞü ukáadu wlewowego h = 300 mm, – dolny, szczelinowy wlew doprowadzający (5 u 50 mm), – centralny, górny nadlew 55 u 25 u (105 ÷ 175) mm, – wielkoĞü komórki szkieletu: a = 15 mm, – promieĔ áącznika szkieletu r = 2,5 mm. Wsad aluminiowy o masie 5 kg topiono w piecu indukcyjnym. Na rysunku 4 pokazano przykáadowy, próbny, zamkniĊty, aluminiowy odlew szkieletowy. M. Cholewa, M. Dziuba KaáuĪa 16 4. ANALIZA ODLEGàOĝCI GAàĉZI DRUGORZĉDOWYCH DENDRYTÓW ROZTWORU Į Próbki do badaĔ strukturalnych trawiono Ğrednio przez 30 s w roztworze 20% NaOH (20gr NaOH rozpuszczono w wodzie destylowanej). Próbki wymyto w wodzie, a nastĊpnie w alkoholu etylowym, po czym suszono ciepáym, a nastĊpnie zimnym powietrzem przez 10 min. Na rysunku 5 przedstawiono charakterystyczne obszary, które poddano analizie DAS. OdlegáoĞü wtórnych osi dendrytów nierzono za pomocą komputerowego systemu analizy obrazu Nikon Epihot 200 & Lucia G on Ds. Video wersja 4.82 przy powiĊkszeniu mikroskopu 15u. Wykonano 39 pomiarów dla kaĪdego analizowanego obszaru badanych odlewów szkieletowych. Badania ujmują liczbowo wpáyw szybkoĞci odprowadzania ciepáa na stopieĔ rozdrobnienia struktury odlewów szkieletowych. W tablicy 4 przedstawiono wyniki analizy DAS tylko w charakterystycznych, skrajnych, najbardziej zróĪnicowanych strukturalnie obszarach odlewów. Rys. 5. Obszary, w których porównywano mikrostruktury: 1 – naroĪnik wĊzáa szkieletu, 2 – przekrój wzdáuĪny áącznika szkieletu, 3 – przekrój poprzeczny áącznika szkieletu, 4 – centralna czĊĞü naroĪnika Ğciany zamykającej szkielet, 5 – zewnĊtrzna powierzchnia naroĪnika Ğciany zamykającej szkielet [2] Fig. 5. Zones with microstructure comparison: 1 – corner of the skeleton core, 2 – longitudinal section of the skeleton link, 3 – cross section of the skeleton link, 4 – central corner part of the wall that closes the skeleton, 5 – outer surface of the corner in the skeleton closing wall [2] Tablica 4 OdlegáoĞci wtórnych osi dendrytów w wybranych skrajnych obszarach odlewów szkieletowych Dendrite arm spacing for chosen outer zones of the skeleton casting OdlegáoĞü wtórnych osi dendrytów [Pm] odchylenie minimum maksimum Ğrednia standardowe Oznaczenie próbki Miejsce wykonania pomiaru Tzal = 1013 K, Tformy = 333 K, h = 265 mm obszar 1 obszar 5 26,27 22,52 82,20 86,06 49,1 50,3 12,9 13,9 Tzal = 983 K, Tformy = 293 K, h = 265 mm obszar 1 obszar 5 22,97 24,26 82,20 93,73 52,3 52,7 14,9 15,5 Analiza wybranych wáaĞciwoĞci strukturalnych i wytrzymaáoĞciowych … 17 W badanych odlewach odlegáoĞci wtórnych osi dendrytów roztworu Į osiągają najmniejsze wartoĞci w obszarze 1, aczkolwiek wartoĞci DAS w obszarach 1 i 5 tych odlewów mają zbliĪone wartoĞci. Stanowi to potwierdzenie tylko nieznacznego zróĪnicowania struktury w badanych obszarach odlewów. Wykresy odlegáoĞci gaáĊzi drugorzĊdowych dendrytów roztworu Į w wybranych obszarach odlewów szkieletowych przedstawiono na rys. 6. Dla odlewu wykonanego w warunkach: Tzal = 1013 K, Tformy = 333 K, h = 265 mm zaobserwowano zbliĪoną licznoĞü DAS w najniĪszych klasach rozkáadu odlegáoĞci DAS dla skrajnych obszarów 1 i 5. ĝwiadczy to o duĪej jednorodnoĞci struktury wykonanych odlewów szkieletowych. a) b) Rys. 6. Rozkáad odlegáoĞci wtórnych osi dendrytów w wybranych obszarach odlewu (Tzal = 1013 K, Tformy = 333 K, h = 265 mm) Fig. 6. Distances distribution of the dendrite arm spacing for chosen zones of casting 5. BADANIA WYTRZYMAàOĝCIOWE Odlew szkieletowy ze wzglĊdu swoje perspektywiczne zastosowania moĪe byü naraĪony na dziaáanie siá rozciągających i Ğciskających, np. w zbiornikach ciĞnieniowych mediów gazowych i ciekáych lub w strefach kontrolowanej adsorpcji energii kinetycznej w samochodach (zderzaki, podáuĪnice). Na obecnym etapie badaĔ sprawdzono wytrzymaáoĞü na Ğciskanie fragmentów szkieletów. M. Cholewa, M. Dziuba KaáuĪa 18 WydáuĪenie wzglĊdne [1/1] 0,09 0,08 0,08 0,08 0,07 0,07 0,07 0,06 0 0,06 0,09 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,03 0,02 0,01 0,01 0,01 0 0 50 0,05 50 100 0,04 100 150 0,04 150 200 0,03 200 250 0 250 0,02 NaprĊĪenie Ğciskające [MPa] 300 0,01 NaprĊĪenie Ğciskające [MPa] Badania wykonano na maszynie wytrzymaáoĞciowej o maksymalnej sile 100 kN (Veb Werkstoffprüffmaschinen Leipzig). Podczas prób zarejestrowano zaleĪnoĞü siáy Ğciskającej P [kN] od odksztaácenia bezwzglĊdnego ǻL [mm]. Z badanych odlewów szkieletowych wyciĊto ksztaátki o wysokoĞci 27 mm, o profilu pokazanym na rys. 7. Wykonano po 6 prób Ğciskania wycinków szkieletu Rys. 7. Profil ksztaátki zastosowanej do metalowego z kaĪdego odlewu. Wykresy badaĔ wytrzymaáoĞciowych Fig. 7. Sample applied for strength investi- zaleĪnoĞci odksztaácenia od naprĊĪenia gations Ğciskającego dla badanych próbek przedstawiono na rys. 8. Zaobserwowano nieliniową zaleĪnoĞü wydáuĪenia wzglĊdnego od naprĊĪenia Ğciskającego. Pionowe áączniki ksztaátki (wycinka szkieletu) poddane Ğciskaniu ulegają nieznacznemu wyboczeniu. Wynika to z proporcji elementarnej komórki, której pionowo obciąĪone áączniki istotnie odbiegają proporcjami wymiarów od zalecanych dla klasycznej próby Ğciskania materiaáów monolitycznych. Niemniej, biorąc pod uwagĊ wstĊpny charakter badaĔ wytrzymaáoĞciowych, za podstawowy sposób pomiaru przyjĊto oszacowanie wytrzymaáoĞci na Ğciskanie powtarzalnego elementu obejmującego pojedynczą komórkĊ szkieletu. NaleĪy podkreĞliü, Īe sposób doboru wymiarów i orientacji próbki w stosunku do siáy Ğciskającej jest niekorzystny, ale opracowanie metody pomiaru jest obecnie przedmiotem analiz, prezentowane wyniki naleĪy wiĊc traktowaü jako szacunkowe i poglądowe – wstĊpne. WydáuĪenie wzglĊdne [1/1] Rys. 8. Wykres zaleĪnoĞci wydáuĪenia wzglĊdnego od naprĊĪenia próbki: a) AlSi11, Tzal = 1013 K, Tformy = 333 K, h = 265 mm; b) AlSi11, Tzal = 983 K, Tformy = 293 K, h = 265 mm Fig. 8. Diagram of the relative stress elongation in the sample: a) AlSi11, Tzal = 1013 K, Tformy = 333 K, h = 265 mm; b) AlSi11, Tzal = 983 K, Tformy = 293 K, h = 265 mm Analiza wybranych wáaĞciwoĞci strukturalnych i wytrzymaáoĞciowych … 19 Na rysunku 9 przedstawiono wyniki wytrzymaáoĞci na Ğciskanie badanych próbek odlewów. NajwiĊkszą wartoĞü wytrzymaáoĞci na Ğciskanie uzyskano dla odlewu wykonanego w nastĊpujących warunkach technologicznych: Tzal = = 1013 K, Tformy = 333 K, h = 265 mm. Próbka pokazana na rys. 7 odpowiada znormalizowanej, monolitycznej próbce o Ğrednicy 10 mm. Minimalna wytrzymaáoĞü takiej próbki wedáug normy wynosi 160 MPa i dotyczy odlewu piaskowego. Otrzymane wyniki są zgodne z ogólną zasadą wzrostu wytrzymaáoĞci wraz ze zmniejszaniem przekroju próbki (z jednoczesnym pominiĊciem wpáywu – rodzaju i liczebnoĞci – wad odlewniczych). 300 267,51 240,76 250 Rc [Pa] 200 150 100 50 0 Próbka (AlSi11, temp. zalewania 1013K, temp. formy 333K, h – 265 mm) Próbka (AlSi11, temp. zalewania 983K, temp. formy 293K, h – 265 mm) Rys. 9. WytrzymaáoĞü na Ğciskanie badanych odlewów Fig. 9. Compressive strength of the investigated casting W przedstawionym przykáadzie, pomimo stwierdzonego wyboczenia pionowych áączników przy wspóádziaáaniu poziomych áączników, potwierdzono wiĊkszą wytrzymaáoĞü szkieletowej ksztaátki o czterech pionowych áącznikach w porównaniu z odlewem monolitycznym o tej samej powierzchni obciąĪonego przekroju. Stwierdzony brak páyniĊcia materiaáu pod obciąĪeniem powoduje w rezultacie kruche pĊkanie, co moĪe by uzasadnieniem stosowania podobnych szkieletów na klatki bezpieczeĔstwa w Ğrodkach transportu. 6. WNIOSKI 1. Opracowano ogólne warunki technologiczne wytwarzania odlewów szkieletowych z modelowych stopów Al-Si. UmoĪliwia to powtarzalne wytwarzanie fragmentów otwartych i zamkniĊtych odlewów szkieletowych o przedstawionej zewnĊtrznej i wewnĊtrznej postaci geometrycznej i korzystnych wáaĞciwoĞciach strukturalnych i uĪytkowych. 20 M. Cholewa, M. Dziuba KaáuĪa 2. Na podstawie badaĔ mikrostruktury moĪna stwierdziü, Īe odlewy szkieletowe wykazują korzystne wáaĞciwoĞci strukturalne (struktura rozdrobniona o duĪej jednorodnoĞci). 3. Mechanizm niszczenia ksztaátek pod obciąĪeniem i zadowalająca wartoĞü wytrzymaáoĞci na Ğciskanie są korzystne ze wzglĊdu na przyszáe zastosowania odlewów szkieletowych. 4. Wskazane jest opracowanie specjalnej metodyki badania wáaĞciwoĞci uĪytkowych odlewów szkieletowych, np. na próbkach utworzonych z 9 prezentowanych komórek elementarnych przy zmiennej orientacji w stosunku do kierunku dziaáania obciąĪenia. LITERATURA [1] Cholewa M., Ksztaátowe odlewy z pian kompozytowych, Archiwum Odlewnictwa, 2003, vol. 3, nr 9, s. 81 – 88. [2] Cholewa M., Dziuba KaáuĪa M., Closed aluminum skeleton casting, Archives of Foundry Engineering, 2008, vol. 8, special issue 1, s. 53 – 56. [3] Cholewa M., Dziuba KaáuĪa M., Lortz M., Metody wykonania rdzeni odlewu szkieletowego, Prace Studenckich Kóá Naukowych, 2008, zeszyt nr 16, s. 9 – 16, Gliwice, Wydawnictwo Instytutu Materiaáów InĪynierskich i Biomedycznych. [4] Cholewa M., Szyndler B., Materiaáy formierskie na supercienkoĞcienne odlewy szkieletowe, Prace Studenckich Kóá Naukowych, 2007, zeszyt nr 11, s. 113 – 118Gliwice, Wydawnictwo Instytutu Materiaáów InĪynierskich i Biomedycznych. [5] Daráak P., Dudek P., Materiaáy wysokoporowate – metody wytwarzania i zastosowanie, Odlewnictwo: Nauka i praktyka, 2004, nr 1, s. 3 – 17. [6] Janus-Michalska M., Effective models describing elastic behaviour of cellular materials, Archives of metallurgy and materials, 2005, vol. 50, issue 3, s. 595 – 608. [7] Kordzikowski P., Janus-Michalska M., PĊcherski R.P., Specification of energy – based criterion of elastic limit states for cellular materials, Archives of Metallurgy and Materials, 2005, vol. 50, issue 3, s. 619 – 634. [8] Norma PN-EN 1706:2001 Odlewnicze stopy aluminium. [9] Pietrowski S., Siluminy, àódĨ, Wydawnictwo Politechniki àódzkiej 2001. Praca wpáynĊáa do Redakcji 10.03.2009 Recenzent: prof. dr hab. inĪ. Zenon Ignaszak ANALYSIS OF SELECTED STRUCTURAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF ALUMINIUM SKELETON CASTINGS S u m m a r y In this paper geometry of skeleton casting and the core was shown together with its technology. Manufacturing parameters were determined for production of closed skeleton castings made of AlSi alloys. The main aim was to analyze the refinement degree of the microstructure and its homogeneity together with operational properties of the castings. Dendrite arm spacing (DAS) was observed in characteristic regions of the casting. For studied castings the lowest values of DAS Analiza wybranych wáaĞciwoĞci strukturalnych i wytrzymaáoĞciowych … 21 were observed in the corner of external walls of the casting. Nevertheless, values observed are close to those observed in other characteristic regions. To evaluate the mechanical properties compression test were performed. The highest compression strength was observed for skeleton casting manufactured under following technological conditions: pouring temperature 1013 K, mould temperature 333 K, height of the gating system 265 mm. Determined technological conditions enabled manufacturing of skeleton castings with desired external and internal geometry and favorable mechanical and structural properties. Key words: skeleton casting, AlSi alloy, microstructure, compression strength