Mateusz Franckowiak	Katedra Tworzyw Formierskich, Technologii Formy i Odlewnictwa Metali Nieżelaznych	Data ćwiczenia: 04.04.2013
Rok: I magisterski Odlewnictwo 1	Technologia Form Odlewniczych Temat: Skurcz odlewniczy podczas wykonywania odlewów	Ocena:

1. Część teoretyczna

Pod pojęciem skurczu odlewniczego rozumie się zmniejszanie wymiarów odlewu w stosunku do odpowiednich wymiarów modelu. Wielkość ta jest związana ze skurczem swobodnym metalu, tj. ze zmianami wymiarów metalu we wnęce formy, zachodzącymi wraz z obniżaniem się jego temperatury. Wskaźnikiem liczbowym tego zjawiska jest liniowy (β) lub objętościowy (α) współczynnik rozszerzalności cieplnej metalu (w %/K)

$$\mathbf{\beta}\mathbf{=}\frac{\mathbf{100}}{\mathbf{l}_{\mathbf{0}}}\mathbf{*}\frac{\mathbf{}\mathbf{l}}{\mathbf{}\mathbf{T}}$$

gdzie:

l₀- długość początkowa,

l- zmiana długości odpowiadająca zmianie temperatury T

Współczynniki α i β , związane przybliżoną zależnością

α≈3β

służą do określania zmiany wymiarów lub objętości substancji w określonym stanie skupienia (ciekłym lub stałym), bez uwzględnienia przemian fazowych w stanie stałym lub bez uwzględnienia czynników hamujących swobodną zmianę wymiarów. W rzeczywistych warunkach stygnięcia i krzepnięcia w formach odlewniczych zmiana wymiarów wraz ze zmianą temperatury ma bardziej złożony charakter.

Procesy fizykochemiczne wywołujące zmiany objętości właściwej i wymiarów żeliwa w formie odlewniczej rozpatruje się zazwyczaj w trzech podstawowych etapach: podczas stygnięcia w stanie ciekłym, podczas krzepnięcia i podczas stygnięcia w stanie stałym.

W odniesieniu do stanu ciekłego rozważa się wyłącznie pojęcie skurczu objętościowego ( w %),wyrażonego wzorem

ε_v,c=α_c(T_odl−T_l)

gdzie α_c jest współczynnikiem objętościowej rozszerzalności cieplnej ciekłego żeliwa, %/K.

Na zmiany objętości żeliwa podczas krzepnięcia składa się skurcz wynikający ze zmiany stanu skupienia ε_v, k⁰ i z obniżania się temperatury w zakresie temperatury krzepnięcia (T_kr=T_l−T_eut)ε_v,kr^′ oraz z tzw. rozszerzenia przedskurczowego ε_v, kr^′

ε_v,kr=ε_v,kr⁰+ε_v,kr^′−ε_vr,kr ^′[%]

lub rozważając zmiany wymiarów liniowych

ε_kr=ε_kr⁰+ε_kr^′−ε_r,kr^′ [%]

Skurcz żeliwa w stanie stałym określa J.A.Niechendzi

ε_s=β_sT_s∓ε_technol. [%]

w którym

T_s=T_s−T_m,s≈T_eut−T_m,s  [K]

T_s- temperatura solidus [^oC]

T_m,s- średnia temperatura fazy stałej w odlewie w momencie zakończenia krzepnięcia lub temperatura pokojowa [^oC]

ε_technol.- skurcz metalu zakrzepłego, powodowany czynnikami technologicznymi [%]

Skurcz objętościowy wynosi

ε_v,s≈3ε_s [%]

1. Przebieg ćwiczenia

Podczas zajęć laboratoryjnych wyznaczona skurcz odlewniczy swobodny i hamowany. Zastosowano model pręta o wymiarach ⌀30x355 mm. Ostro zakończone stożkowe nadlewy wyznaczały odległość L₀. Z modelu wykonano formy w masie formierskiej oraz zalano badanym stopem (w tym przypadku żeliwem). Po ostygnięciu i oczyszczeniu, zmierzono odległość między ostępami odlewów i przy użyciu wzoru $\mathbf{\varepsilon}_{\mathbf{\text{odl}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{L}_{\mathbf{0}}\mathbf{-}\mathbf{L}_{\mathbf{1}}}{\mathbf{L}_{\mathbf{0}}}\mathbf{*}\mathbf{100}\mathbf{\%}$ obliczono skurcz liniowy. Stosując model ze skrajnymi kołnierzami otrzymuje się wartość skurczu hamowanego. Wyniki pomiarów zestawiono w tabeli 1.

Tabela 1.

Skurcz swobodny
Lp.
1
2
3
4
5
Skurcz hamowany
1

Następnie dla żeliwa o następującym składzie chemicznym: 4,44%C , 0,01%Cr, 0,013%S, 0.05%P, 0,97%Si, 0,05%Mn wyznaczono krzywą kinetyki skurczu przy pomocy urządzenia (rys.1.).

Rys.1. Schemat aparatu do określania swobodnej zmiany wymiarów krzepnących i stygnących próbek żeliwa; 1-formaodlewnicza, 2-badana próbka,3- pręt stalowy, 4-oprawa mocująca, 5-złącze pręta z przetwornikiem fotoelektrycznym,6-przetwornik fotoelektryczny,7-kompensator

Urządzenie składa się z czujnika fotoelektrycznego (przetwarzającego zmiany liniowe próbki na impulsy elektryczne), który jest połączony z próbką zaformowaną i sprzężony równocześnie z kompensatorem. Urządzenie charakteryzuje się prostą obsługą i jednocześnie dużą czułością, co umożliwia badanie rozszerzalności przedskurczowej żeliwa. Próbka ma wymiary ⌀30x350mm.

Pomiar temperatury został zarejestrowany przy użyciu termoelementów typu K (NiCr-Ni), umieszczone w środku formy, oraz w pobliżu zbiornika wlewowego.

Pomiar skurczu żeliwa przeprowadzono w następujący sposób:

• Wykonanie formy (wilgotność masy:4,01%)

• Zamontowanie formy (oraz termoelementów w formie) w urządzeniu

• Zalanie formy ciekłym żeliwem :

• T_zal=1420 [^oC]

• τ_zal = 5[s]

• Wykonano próbę klinową wg PN do oceny stopnia zabielenia oraz zalano kubek do analizy termicznej.

• Wynik próby klinowej: Zabielenie 2mm (Klin nr 9).

Wyniki pomiarów przedstawiono w postaci wykresów:

Rys.2. Krzywa kinetyki skurczu żeliwa

Rys.3. Wykres skurczu liniowego w funkcji temperatury

Rys.4. Wykres temperatury w funkcji czasu

Rys.5. Wykres temperatury w funkcji czasu (wykres powiększony)

Rys.6. Krzywe stygnięcia

1. Analiza wyników i wnioski

Jak widać na rysunku 2 krzywa kinetyczna skurczu żeliwa jest zbliżona do opisanej w literaturze. Możliwe jest zaobserwowanie rozszerzalności przedskurczowej ( ε_r, kr − od τ₀ do τ₁), jak również drugi etap powiększania się wymiarów odlewu (ε_r, p−od τ₃ do τ₄ ), który jest wartością bardzo małą. Wartość ε_p określa skurcz przedperlityczny. W zakresie czasu od τ₄ do τ₅  obserwuje się normalne zmniejszenie wymiarów próbki, które związane jest z rozszerzalnością cieplną żeliwa. Rzeczywistą wartość pełnego skurczu liniowego określa odcinek ε₀ (od τ₂do τ₅).

Rozszerzenie przedskurczowe jest ważnym elementem technologicznym przy otrzymywaniu odlewów żeliwnych bez wad, o dokładnych wymiarach. Występowanie tego zjawiska zmniejsza skurcz odlewniczy w czasie krzepnięcia, tym samym zmniejsza na ogół skłonność żeliwa do powstawania pęknięć na gorąco w odlewach. Występowanie rozszerzalności przedskurczowej związane jest z działaniem różnych czynników, z których najważniejszym jest proces grafityzacji. Im więcej wydzieli się grafitu podczas krystalizacji eutektyki tym objętość właściwa żeliwa jest większa. Dzięki temu skurcz żeliwa szarego podczas krzepnięcia jest znacznie mniejszy od żeliwa białego (w którym nie występuje zjawisko rozszerzalności przedskurczowej). Do innych czynników powodujących występowanie rozszerzenia przedskurczowego można zaliczyć m.in.: dyfuzję pierwiastków w czasie krystalizacji, wydzielanie gazów i faz o dużej objętości właściwej, ciśnienie wywierane przez rosnące kryształy fazy stałej na cząstki obce wchodzące w strefę wzrostu tych kryształów.