Transformacja struktury kolumnowej w równoosiową przy krzepnięciu odlewów z wymuszoną konwekcją wirującym polem magnetycznym

• Autorzy: Szajnar J.

Warianty tytułu

EN

The columnar to equiaxed transition at casting solidification with convection forced by rotating magnetic field

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Praca dotyczy zagadnień związanych z procesem krzepnięcia i krystalizacji odlewów ze stropów dwuskładnikowych wykonanych w warunkach wymuszonej konwekcji wirującym polem magnetycznym (WPM). Odlewy wykonane z tych stopów w klasycznych warunkach, tj. bez wymuszonej konwekcji, szczególnie ciągłe, posiadają szeroką strefę kryształów kolumnowych, która obniża ich jakość. W pracy rozważono wpływ zmian w warunkach krzepnięcia odlewu wywołanych przez wymuszoną konwekcję na szerokość strefy kryształów kolumnowych, a w szczególności na możliwość ograniczenia jej rozmiarów. Uzyskane wyniki dowodzą, że pole magnetyczne zmienia warunki termiczne i stężeniowe. Jedne i drugie zależą od indukcji pola magnetycznego B, czyli od prędkości ciekłego metalu przed frontem krystalizacji Vcm. Z porównania skutków oddziaływania WPM w odlewach z czystych metali i stopów wynika, że sama tylko zmiana w warunkach cieplnych krzepnięcia, wywołana przez wymuszony ruch ciekłej fazy, nie wystarcza do zajścia przemiany struktury kolumnowej w równoosiową. Warunkiem koniecznym do wywołania przemiany struktury kolumnowej w równoosiową jest odpowiednia ilość dodatku stopowego, przy której wymuszony ruch metalu spowoduje inne od tradycyjnego jego rozłożenie w odlewie. Dopiero wówczas w połączeniu ze zmienionymi warunkami termicznymi ulegną zmianie warunki trwałości frontu krystalizacji, które będą skutkować zanikiem krystalizacji kierunkowej odlewu. Model transformacji struktury kolumnowej w równoosiową oparto na analizie zmodyfikowanego przez autora stężeniowego kryterium trwałości frontu krystalizacji, w którym wykorzystuje się wyniki pomiarów stężenia dodatku stopowego wzdłuż promienia wlewka. Warunki gradientowo-kinetyczne wyznaczono za pomocą symulacji procesu krzepnięcia. Tak określone warunki krystalizacji na powierzchni rozdziału umożliwiają śledzenie procesu krzepnięcia rzeczywistego odlewu od jego powierzchni zewnętrznej do osi. Pozwala to na analizę relacji pomiędzy warunkami termicznymi i stężeniowymi w czasie krzepnięcia odlewu oraz wyznaczanie miejsca utraty trwałości frontu krystalizacji, które po przyjęciu pewnych założeń upraszczających, może być utożsamiane z szerokością strefy kryształów kolumnowych. Potwierdzam poprawności przyjętego modelu są wyniki badań doświadczalnych. Do analizy wykorzystano również wyniki symulacji przepływu ciekłego metalu przed frontem krystalizacji dla różnych modeli powierzchni międzyfazowej wskazując na jakościowe zależności pomiędzy geometrią frontu a zmianami w strukturze. Wyznaczono zależności, na podstawie których można przewidywać szerokość strefy kryształów kolumnowych, uwzględniając stężenie nominalne dodatku stopowego Co, wymuszoną przez wirujące pole magnetyczne prędkość ruchu ciekłego mwetalu Vcm oraz warunki termiczne reprezentowane przez: temperaturę zlewania Tzal, gradient temperatury na froncie krystalizacji w chwili zakończenia działania wymuszonej konwekcji Gr lub różnicę temperatury na przekroju odlewu (delta)T.

EN

The work refers to solidification and crystallization of two-component alloy castings made under the conditions where convection is forced by rotating magnetic field (RMF). Castings, particularly continuous ones, made of these alloys under conventional conditions, i.e. without forced convection, have a wide zone of columnar crystals which makes their quality worse. The present work considers the effect of changes in casting solidification conditions caused by forced convection on columnar crystal zone width, or on possibility of the zone dimension limitation. The results achieved prove that magnetic field can change thermal and concentration conditions. Both of them depend on B magnetic field induction, i.e. on liquid metal velocity before Vcm crystallization front. If we compare RMF effects in the castings made of pure metals and alloys we can see that the change itself in thermal conditions caused by liquid phase forced movement is not sufficient for the columnar to equiaxed transition (CET). A suitable amount of alloy addition is a necessary condition for CET, because then forced movement of the metal causes another than traditional arrangement in the casting . and this fact accompanied by changed thermal conditions will change the conditions of crystallization front durability, which will result in casting directional crystallization decay. The modle of columnar structure transformation into equiaxed struxture is basaed on the analysis of solidification criterion of crystallization front durability; the criterion has been modified by the author who used the results of alloy addition concentration measurements along the ingot radius, gradient-kinetics condition have been determined by means of solidification process simulation. Such crystallization conditions on the separation surface enable to watch solidification of the casting from the surface to the axis. It allows to analyse the relation between thermal and solidification conditions during the casting solidification and to determine the place where crystallization front loses its durability; this place, after some simplifications, can be taken as a columnar crystal zone width. The experimental results confirm correctness of the model. The relationship which are the basis for prediction of the columnar crystal zone width have been determined with taking into consideration the following: nominal concentration of Co alloy addition, Vcm liquid metal velocity forced by the rotating magnetic field and thermal conditions represented by Tzal pouring temperature, temperature gradient on the crystallization front at the moment of Gr forced convection end temperature difference of (delta)T casting section.

Słowa kluczowe

PL

krzepnięcie odlewu; krystalizacja odlewu; struktura odlewu

EN

casting solidification; casting crystallisation; casting structure

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe. Mechanika / Politechnika Śląska
• Rocznik: 2001
• Tom: z. 138
• Strony: 1--107
• Opis fizyczny: Bibliogr. 138 poz.

Twórcy

autor

Szajnar J.

• Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Politechniki Śląskiej, 44-100 Gliwice, ul. Towarowa 7, tel.: [phone],