WYDZIAŁ MECHANICZNY

SPRAWOZDANIE Z ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH - WPROWADZENIE DO INŻYNIERII PRODUKCJI

Ćwiczenie 3	grupa 11B	ZiIP
Próba ATD	Katarzyna Mai	Zielona Góra, 19.04.2012 r.

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z praktyczną realizacją próby ATD, stosowanej zarówno do kontroli jakości ciekłych metali i stopów, jak i badań naukowych nad ich krystalizacją.

2. Wprowadzenie - teoretyczne podstawy metody analizy termiczno-derywacyjnej

Analiza termiczno derywacyjna (ATD) jest najczęściej stosowaną metodą kontroli produkcji stopów. Metoda analizy termiczno derywacyjnej stanowi rozwinięcie metody termicznej, polegającej na ciągłej rejestracji temperatury krzepnącego metalu. W metodzie ATD oprócz rejestrowanej temperatury liczona jest jej pochodna po czasie. Analizę termiczno derywacyjną przeprowadza się poprzez wlanie badanego metalu do próbnika wykonanego z masy skorupowej, w którym znajduje się termoelement do pomiaru temperatury. Termoelement ten podłączony jest do aparatury rejestrująco - przetwarzającej. Powszechnie stosowany w Polsce jest opracowany pod kierunkiem prof. S. Jury [9] aparat

Crystaldigraph (rys. 1a) i odpowiadający mu próbnik ATD-10 (rys. 1b).

a)

b)

Rys. 1. Przykładowy schemat stanowiska pomiarowo - rejestrującego wykorzystywanego w metodzie

ATD (a) oraz próbnik ATD-10 (b) [2]

Typowy wykres ATD (rys. 2) ilustruje dwie krzywe: stygnięcia T(t) i krystalizacji T'(t).

Krzywa stygnięcia jest wykresem funkcji zmian temperatury w czasie trwania procesu

chłodzenia metalu. Widoczne są na niej dwa „przystanki temperaturowe”. Pierwszy powstaje

przy osiągnięciu temperatury początku krystalizacji (likwidus), a drugi przy osiągnięciu

temperatury końca krzepnięcia (solidus). Dla czystych metali występuje tylko jeden

„przystanek”, bo temperatura likwidus jest równa temperaturze solidus (TL=TS).

3

Rys. 3. Fragment układu równowagi fazowej stopu Al-Si [8]

Dla przybliŜenia i zrozumienia tego procesu na rysunku 3 przedstawiono wykres

równowagi fazowej stopu Al-Si. Przekrój fazowy stopu AlSi7 zaznaczono linią przerywaną.

Stygnięcie przebiega wzdłuŜ tej linii, a więc przez stan ciekły od punktu P do punktu L czyli

początku krystalizacji fazy . Dalsze stygnięcie i krystalizacja fazy przebiega do punktu S

czyli początku krystalizacji eutektyki. Następnie stop krzepnie do całkowitego wyczerpania

cieczy eutektycznej. Na wykresie stygnięcia (rys. 2) nie moŜna w sposób jednoznaczny

Rys. 2. Wykres analizy termiczno-derywacyjnej procesu stygnięcia stopu AlSi7 [2]

4

wyznaczyć temperatury końca krzepnięcia TF. Niekiedy przemiany fazowe są tak nisko

energetyczne, Ŝe przystanki temperaturowe mogą być niewidoczne. W takich przypadkach

pomocna okazuje się krzywa krystalizacji, będąca pochodną funkcji stygnięcia, gdyŜ na niej

duŜo bardziej widoczne są nawet najmniejsze efekty cieplne. WyraŜa się ona wzorem:

(  (  f (t 

dt

dT t

T  t    (1)

Krzywą dT/dt wyznacza się w sposób numeryczny. Obliczenia te dokonywane są

równocześnie z pomiarem temperatury. Krzywa T' (krystalizacji) stanowi odzwierciedlenie

procesu krystalizacji badanego stopu i ustala wiele charakterystycznych punktów. Najbardziej

charakterystycznymi w powiązaniu z krzywą stygnięcia są jej przecięcia z osią zerową. Są to

punkty Pk, B, C, E. Punkty te odniesione na krzywą stygnięcia wyznaczają charakterystyczne

temperatury TPk= TLmin, TB= TLmax, TC=TSmin, TE=TSmax. Temperatury TLmax i Tsmax są to

„stabilne" temperatury likwidus i solidus krzepnięcia stopu. Natomiast temperatury TLmin, TSmax,

oznaczają metastabilne temperatury tych samych przemian jako temperatury maksymalnego

przechłodzenia. Oprócz omówionych juŜ punktów charakterystycznych są maksima i minima

na pochodnej stygnięcia oznaczone punktami A, D i F, które wyznaczają odpowiednio

temperatury maksymalnego efektu cieplnego krystalizacji fazy  (punkt A) oraz eutektyki

(+ punkt D). Temperaturę końca procesu krzepnięcia wyznacza punkt F.

Tak więc, pierwsza pochodna krzywej stygnięcia pozwala na jednoznaczne określenie

charakterystycznych temperatur. W ten sposób wyznaczona pochodna spełnia rolę

pomocniczą w dalszej analizie. Dzięki precyzyjnemu wyznaczeniu temperatur moŜna

odwrócić twierdzenie i wyznaczyć dosyć dokładnie zawartość niektórych pierwiastków w

badanym stopie. Takie wykorzystanie metody ATD znajduje coraz szersze zastosowanie nie

tylko do badań naukowych, ale równieŜ w odlewniczych systemach kontroli jakości. Na

rysunku 4 przedstawione jest stanowisko do sterowania jakością stopów. Taka organizacja

odlewni umoŜliwia korektę ciekłego metalu przed odlaniem go do form, co z kolei

przyczynia się do zmniejszenia ilości braków odlewów, spowodowanych złą jakością stopu.

Rys. 4. Stanowisko kontroli stopów z wykorzystaniem metody ATD [7]

5

3. Opis ćwiczenia

Schemat stanowiska do realizacji próby ATD pokazano na rysunku 1. Analizę termicznoderywacyjną

przeprowadza się poprzez wlanie badanego metalu do próbnika 2 wykonanego z

masy skorupowej o wymiarach 30 x 40mm. W pomiarze rejestrowane są trzy temperatury

mierzone termoelementami płaszczowymi 1mm typu K lub N z nieosłoniętą spoiną

pomiarową.

Termoelementy w liczbie trzech* są wprowadzane do formy od góry tak, aby ich

spoiny pomiarowe znajdowały się na 1/3 wysokości próbnika 2. Termoelementy

rozmieszczone są w równych odstępach od siebie wzdłuŜ promienia odlewu, tj. w centrum, w

połowie promienia oraz przy ściance formy. Stabilność rozmieszczenia termoelementów

uzyskujemy zaciskając je pomiędzy nakrętkami 6 (szczegół A, rys. 1) znajdującymi się na

gwintowanym wysięgniku statywu 5. Statyw 5 zapewnia moŜliwość regulacji długości

wysięgnika oraz wysokości jego połoŜenia. Skorupowa podstawa formy 3 zapewnia stabilne

ustawienie oraz uszczelnienie dna próbnika.

Termoelementy połączone są przewodami kompensacyjnymi 7 do aparatury

rejestrująco - przetwarzającej, na którą składa się mikroprocesorowy rejestrator 8 i komputer

9 połączone poprzez port szeregowy. Przy pomocy mikroprocesorowego rejestratora

dokonywany jest pomiar temperatur i na komputerze przeprowadza się analizę termiczną i

derywacyjną krzepnącego stopu.

* - analiza z wykorzystaniem trzech czujników moŜe dostarczyć dodatkowych informacji, gdy są one zbędne

wystarczy zachować termoelement centralny.

Rys. 4. Stanowisko do analizy termiczno-derywacyjnej (ATD): 1 - termoelementy płaszczowe, 2 - tuleja skorupowa, 3 - skorupowa podstawa formy, 4 - tygiel z ciekłym metalem, 5 - statyw, 6 - nakrętki do mocowania termoelementów, 7 - przewody kompensacyjne, 8 - mikroprocesorowy rejestrator, 9 - komputer.

4. Przebieg ćwiczenia.

Ćwiczenie wykonywane jest na opisanym w punkcie 3 stanowisku do realizacji próby ATD.

W ćwiczeniu rejestrację sygnałów pomiarowych zapewnia (rys. 4) podłączony do komputera

mikroprocesorowy rejestrator PDOC-16.

W ćwiczeniu mierzone są (rys. 4):

 temperatura odlewu w trzech punktach (T1, T2, T3),

Ćwiczenie naleŜy wykonać w oparciu o następujące czynności:

A. Przygotowanie badanego metalu,

B. Konfigurowanie programu do obsługi rejestratora PDOC-16,

C. Podłączenie do systemu pomiarowego i sprawdzenie poprawności wskazań

termoelementów,

D. Przygotowanie stanowiska pomiarowego do przeprowadzenia próby,

E. Zalanie formy ciekłym metalem i rozpoczęcie rejestracji sygnałów

pomiarowych,

F. Zapisanie na dysku wyników pomiaru,

A. Przygotowanie badanego metalu.

Badany stop naleŜy doprowadzić do stanu ciekłego w piecu elektrycznym i wygrzać go. Czas

wygrzewania jest zaleŜny od składu chemicznego i ma zapewnić całkowite rozpuszczenie

wszystkich pierwiastków w stopie. Termostat pieca elektrycznego naleŜy nastawić na

temperaturę, w której będzie zalewany próbnik skorupowy badanym stopem (dla siluminów

temperatura ta wynosi 800C).

B. Konfigurowanie programu do obsługi rejestratora PDOC-16.

W programie, wg instrukcji do obsługi oprogramowania mikroprocesorowego rejestratora

(rys. 5) [4], naleŜy wybrać kanały temperaturowe (1÷12), które zostaną uŜyte w pomiarze.

Rys. 5. Mikroprocesorowy rejestrator PDOC-16 - widok płyty czołowej.

Dla kanałów temperaturowych moŜliwy jest wybór termoelementów typu K, N, J, S, B (rys.

6). Do pomiaru naleŜy zadeklarować trzy kanały pomiaru temperatury (np. kanały: 1, 2, 3) i

przypisać im udostępnione termoelementy (zazwyczaj typu K lub N, rys. 6).

Aby było moŜliwe sprawdzenie poprawności wskazań termoelementów, przed pomiarem

naleŜy zadeklarować wstępny pomiar ciągły. Rodzaj inicjacji pomiaru naleŜy ustawić na

ręczny (przez naciśnięcie dowolnego przycisku). Typowe wartości parametrów próby ATD

dla stopów Al-Si przedstawia tabela 1.

7

Rys. 6. Przykład konfigurowania kanałów do pomiaru temperatury (moŜliwe do wydruku

kanały: 1-12)

Tabela 1. Wartości parametrów do próby ATD dla stopów Al-Si

Parametry pomiaru: Konfiguracja osi:

Czas pomiaru: 720 [s], Max odciętej (czas): 720 [s],

Krok pomiaru: 1 [s], Min odciętej: 0 [s],

Czas zmiany kroku: 60 [s], Max rzędnej (temperatura): 800 [C],

Krok początkowy: 0.1 [s], Min rzędnej: 0 [C],

C. Podłączenie do systemu pomiarowego i sprawdzenie poprawności wskazań

termoelementów.

Dla termoelementów naleŜy dobrać odpowiednie przewody kompensacyjne (zgodne z typem

termoelementów). Po podłączeniu do rejestratora trzech termoelementów naleŜy przejść do

pomiaru wstępnego ciągłego, który umoŜliwi sprawdzenie poprawności ich wskazań.

Wartości te wyświetlane są na bieŜąco na monitorze komputera (rys. 7).

a) b) c)

Rys. 7. Obraz ekranu monitora w pomiarze wstępnym: a) prawidłowe wskazania, b) brak lub

uszkodzenie termoelementu w kanale drugim, c) sprawdzanie dynamiki wzrostu rejestrowanych zmian.

8

Porównanie wskazań kanałów pozwala ocenić czy wszystkie termoelementy są sprawne i

zostały poprawnie podłączone (rys. 7a-b). W kolejnym kroku podgrzewamy spoiny

pomiarowe termoelementów i obserwujemy dynamikę wzrostu temperatur na monitorze. Na

rysunku 7c wskazanie temperatury termoelementu z drugiego kanału znacznie odbiega od

pozostałych, dlatego naleŜy go wymienić.

D. Przygotowanie stanowiska pomiarowego do przeprowadzenia próby.

Stanowisko do pomiaru metodą ATD naleŜy przygotować zgodnie z opisem przedstawionym

w punkcie 3 oraz schematem przedstawionym na rysunku 4. W pierwszej kolejności

pomiędzy nakrętkami 6 na wysięgniku statywu 5 naleŜy umieścić termoelementy płaszczowe

1, których spoiny pomiarowe powinny być na jednakowej wysokości. Na skorupową

podstawę formy 3 nakładamy tuleję skorupową 2 do której wprowadzamy umieszczone na

statywie termoelementy 1. Ich spoiny pomiarowe powinny znajdować się na 1/3 wysokości

tulei skorupowej 3 i być rozmieszczone na jej promieniu (tj. centrum, połowie promienia i

przy ściance). Pomiar wstępny ciągły naleŜy zakończyć naciskając klawisz ENTER.

E. Zalanie formy ciekłym metalem i rozpoczęcie rejestracji sygnałów pomiarowych.

Po zakończeni sprawdzania poprawności wskazań termoelementów, kończymy pomiar

wstępny ciągły naciskając klawisz ENTER. Program przejdzie w stan gotowości do

rozpoczęcia pomiaru, a na monitorze zostanie wyświetlone okno gotowości do pomiaru (rys.

8). Ręczna inicjacja pomiaru odbywa się przez naciśnięcie dowolnego klawisza, po czym

naleŜy rozpocząć zalewanie próbnika skorupowego ciekłym metalem z tygla.

a) b)

Rys. 8. Obraz ekranu monitora: a) okno gotowości do pomiaru, b) powiększenie komunikatu.

F. Zapisanie na dysku wyników pomiaru.

Po zakończonym pomiarze, któremu towarzyszy sygnał dźwiękowy, naleŜy zapisać wyniki

pomiaru na dysku komputera. W programie wg instrukcji do obsługi oprogramowania

rejestratora naleŜy w odpowiednich polach umieścić informacje o: składzie chemicznym

badanego stopu, dacie wykonania próby, prowadzącym zajęcia, grupie laboratoryjnej.

---