STUDIUL INFLUENTEI VIBRATIILOR APLICATE LA TURNAREA ALIAJELOR METALICE

STUDIUL INFLUENTEI VIBRATIILOR APLICATE LA TURNAREA ALIAJELOR METALICE

1. Studiul cristalizarii aliajelor metalice

1.1. Conditiile termodinamice ale cristalizarii

Cristalizarea primara a aliajelor, reprezinta factorul care determina proprietatile mecanice si speciale ale acestora, iar defectele care apar la cristalizare practic nu pot fi reparate.

Pentru analizarea proceselor ce au loc in timpul cristalizarii aliajelor se au in vedere o serie de proprietati macroscopice ale materialelor cum ar fi: temperatura de cristalizare, caldura de cristalizare, sub racirea, energia libera de suprafata si variatia energiei libere si energiei totale a sistemului.

Modul in care viteza de trasformari depinde de temperatura la care are loc side timpul care s-a scurs de la inceputul ei, este determinat de trei produse distincte:

Ø      germinarea fazei noi

Ø      cresterea particulelor fazei noi

Ø      procese secundare ce conduc la schimbarea structurii sau morfologiei precipitatului primar.

La formarea unei structuri noi dintr-o faza lichida se considera un lichid eterogen, adica exista in ecghilibru mai mult de o faza.

Entalpia libera a unei faze componente se defineste prin relatia:

G = H - TS unde:

G - entalpie libera; H - entalpia; T - temperatuta [k]

S - entropia

Pentru cele mai multe procese ce au loc in metalurgie se considera presiunea ca fiind constanta si atunci pot scrie

de unde rezulta ca entalpia libera se micsoreaza cu cresterea temperaturii.

Variatia entalpiei libere la transformarea de faza, cand temperatura este constanta este data de relatia:

ΔG = ΔH - TΔS

La echilibru dintre doua faze, ΔG = O, se pot astfel defini: punctul de topire Tt si temperatura de vaporizare T_v.

Rezulta asadar ca G reprezinta forta motrice a transformarii ce are loc, deoarece la orice temperatura, alta decat Tr si Tv, faza in echilibru este cea care are entalpia libera minima.

In cazul formarii unor particule solide dintr-o faza lichida, variatia entalpiei libere de volum, este data de relatia:

ΔGv = (H₁-H_s)-T(S₁-S_s)

Daca se considera ca dependenta de temperatura a variatiei entalpiei si entropiei este mica, atunci.

H₁ - H_s = L_top    unde L_top - caldura latenta de topire

Cum la punctul de topire ΔG = O, rezulta ca entropia de topire este:

Prin inlocuirea relatiilor rezulta:

Sau

Unde:

ΔT - diferenta de temperatura de echilibru la topire, si temperatura la care are loc transformarea - se numeste subracire termica.

1.2. Germinarea omogena

Teoria clasica a germinarii omogene presupune formarea unei faze noi, solide, din componentii fazei lichide, fara schimbarea compozitiei chimice si fara a interveni cu impuritati sau cu suprafete de separatie.

Se considera situatia unui germene sferic care se formeaza in interiorul unei faze lichide uniforme. Variatia entalpiei libere de volum si a entalpiei libere de suprafata este:

unde:

r - raza nucleului considerata a se forma;

ΔG_v - variatia entalpiei libere de volum specifica;

- energia libera de suprafata.

In figura 1 se prezinta variatia diferitelor forme de entalpie libera (totala, de volum, de suprafata) sub punctul de topire, in functie de raza germenului considerat a se forma. Orice germene care se formeaza deasupra punctului de topire se dizolva foarte rapid in lichid inconjurator.

Fig. 1. Variatia entalpiei libere

Sub punctul de topire, pentru ca un germene sa atinga o raza critica (rcrit) este necesara o variatie de entalpie libera (ΔG_crit).

Marimea razei critice se obtine punand conditia ca:

Un alt parametru al procesului de germinare este viteza de germinare.

Pentru stabilirea acestei viteze este necesar sa se faca doua consideratii:

concentratia critica a germenilor de marimi critice este cea data de curba de echilibru, chiar si dupa ce procesul de germinare a inceput si ca adaosul unui singur atom la un nucleu de marime critica il fac pe aceasta supercritic si deci poate sa creasca foarte rapid. Viteza de germinare este:

k_v - constanta de germinare

ΔG_act - energia de activare a difuzarii atomilor prin limita de faze

K - constanta lui Boltzman

1.3. Germinarea eterogena

Experimental s-a stabilit ca in practica, marea majoritate a metalelor si aliajelor lochide prezinta grad de subracire mult mai mic decat cel de la nucleerea omogena. Aceasts se explica prin aceea ca nucleerea incepe pe suprafete ale impuritatilor existente in faza lichida, care practic face imposibil imposibil procesul de germinare omogena.

Germinarea se spune ca are un caracter eterogen. Proprietatea unei suprafete solide de a actiona ca un factor catalizator al procesului de germinare al unui metal din topitura sa depinde de modul in care atat fza solida cat si cea lichida, interactioneaza cu aceasta suprafata, deci de usurinta cu care aceasta umecteaza suprafata peliculei straine.

Gradul de umectare este o masura a diferentelor intre energiile superficiale dintre solid - particule.

1. Cresterea cristalelor

Cinetica procesului de crestere a cristalelor depinde de usurinta cu care atomii din faza lichida se pot atasa la suprafata germenului solid, care la randul sau depinde de structura interfetei solid-lichid. Aceasta structura si forma a interfetei solid-lochid, influenteaza atat morfologic cristalele cat si numarul si distributia defectelor din structura cristalina a fazei solide.

Toate fenomenele se influenteaza reciproc si determina modificari ale vitezei si modului de crestere a cristalelor.

Interfata solid-lochid poate fi definita ca un strat limita intre solid si lichig, in general se considera doua tipuri de interfete:

care pot fi plane, (fig. 2.a)

cu treceri bruste si nedefinite, cind trecerea de la solid la lichid se extinde peste citirea straturilor de atomi (fig. 2.b)

Fig. 2. tipuri de interfata solid - lichid

In functie de forma pe care o au suprafetele de separatie lichid - solid, cresterea cristalelor se poate face prin mai multe mecanisme:

mecanismul cresterii continue

mecaniscmul cresterii laterale

mecanismul cresterii pe defecte

Forma cristalelor ce cresc in aliajul lichid depinde de subracirea lichidului, de ifoectia de eliminare a caldurii, de continutul de impuritati.

Fig. 3. Tiputi de structuri

a - plana; b - celulara; c - dendritica

La viteze mici de racire, suprafetele frontului de solidificare sunt plane (fig. 3 a. ), la viteze medii se dezvolta structura celulara (fig. 3. b), iar la viteze mari, structura dendritica (fig. 3. c).

1.5. Presiunea de cristalizare

Presiunea de cristalizare, este presiunea pe fetele in cresterea ale cristalului, la care cresterea acestuia se intrerupe. Prin reglarea acestei presiuni se poate obtine autocuratirea cristalelor de impuritati.

Presiune de cristalizare (P) este presiune maxima posibila la subracire data a fetei aflate in crestere, calculabila cu relatia:

unde:

ΔT - subracirea aliajului

L - caldura latenta de cristalizare

T - temperatura absoluta

V₀ - volumul moleculei in reteaua cristalului

La solidificarea unui sistem bicomponent:

K - constanta lui Boltzman

C - concentratia solutiei

C_∞ - concentratia de saturatie

Pentru studiul dinamicii de actiune a presiunii se va analiza schema din fig.

Fig.

1 - cristal; 2 - corp strain, 3 - aliaj lichid

O parte a aliajului sub forma de pelicula subtire (d) se afla intre incluziune si cristal. In procesul de crestere, cristalul nu poate deplasa obstacolul, daca greutatea corpului este atat de mare incat el impinge lichidul care le separa si acesta se asaza pe suprafata critalului.

Schema de actionare a fortelor in zona particulelor straine aflate in aliajul in curs de solidificare este prezentata in fig. 5.

Fig. 5. Schema de actiune a fortelor

Din partea cristalului asupra particulei actioneaza forta presiunii de cristalizare sub influenta careia aceasta se poate deplasa in aliaj cu viteza de cristalizare. La aceste deplasari se opun fortele de tensiune interfazica dintre impuritati si aliajul lichid.

si rezistenta hidrodinamica de miscari a suprafetei sferice in aliaj:

In conditiile de echilibru a fortelor F=F_r+F_s

unde:

C_r - coeficient de rezistenta

Analizand (fig. 5.b) rezulta ca asupra cristalului aflat in curs de miscare cu viteza v, actioneaza a. Forta presiunii metalostatice: Ff = Pat +ζH.

Unde:     H - inaltimea stratului de metal de deasupra cristalului;

b.- Forta rezistentei hidroinamice:

c. -Fortele capilare umectare -S

daca F > Ff + Fs + Fσ atunci cresterea cristalului poate avea loc.

1.6. Metode de dirijare a formei structurii aliajelor

Problema principala consta in asigurarea obtinerii pieselor turnate si a lingourilor, omogene din punct e vedere chimic, structural si al proprietatilor mecanice. Este astfel necesara asigurarea unei avacuari rationale a caldurii din aliajul lichid, aflat in curs de solidificare.

Parametrul de baza cu care se poate irija structura cristalina este gradientul de temperatura din faza lichida invecinata cu frontul de solidificare a piesei sau lingoului.

Mecanismul de formare a macristructurii lingoului permite recomandarea urmatoarelor masuri pentru reducerea neomogenitatii:

evacuarea rapida a caldurii din lingou care permite ca aliajul cuprins in zona de transcristalizare si cristalele axiale sa fie subracit cat mai puternic comparativ cu temperatura de topire a topiturii in stratul de segregatii, adica peste valoarea critica de subracire ∆Tcrit;

turnarea aliajului la temepratura la care in zona lichida rezulta un gradient scazut de temperatura si germenii de cristalizare in tot volumul de metal;

in stratul de segregatii se vor introduce microagenti de racire sau alte adaosuri care sa capteze caldura din otel si sa formeze germeni suplimentari de cristalizare.

utilizarea amestecarii vibratiilor, rotatiilor electromagnetice si a altor metode de actionare care sa contribuie la descompunerea stratului de segregatii si la indepartarea depunerii orientate in cristale;

reducerea maxima a concentratiilor impuritatilor care determina scaderea brusca a temperaturii de solidificare a stratului segregat.

2. Procese fizice care au loc la vibrarea aliajelor turnate

2.1. Actiunea fortelor de impuls

Agitarea aliajului sub actiunea vibratiilor duce la aparitia unor forte de forfecare in dendritele formate la limita de separatie lichid-solid.

Aplicand oscilatii armonice fortate (centrul de greutate deplasandu-se dupa o lege sinusoidala) unui aliaj de masa (m), acceleratia (j) isi schimba semnul la fiecare semiperioada a oscilatiei (fig. 6.) ducand la aparitia in aliaj lichid a doua forte de inertie alternante J1 si J2, egal ca marime dar ca semn contrar.

J₁=m(-aw²sinφ)=mj

J₂=m(aw²sinφ)=-mj

a-amplitudinea

w-pulsatia

φ-faza

Luand in considerare si forta G=mg, greutatea afectiva a Gef se va modifica in timp confom relatiei:

G_ef=m(gj) = m(gaw²sinφ)

Fig. 6. Corelatia dintre traiectoria viteza si acceleratia miscarii in cazul unei oscilatii dupa o lege sinusoidala

In cazul in care j=jmax=g forta care actioneaza in aliajul lichid in prima semiperioada este maxima, rezultand urmatoarea corelatie optima intre amplitudine si frecventa.

G=a(2nf)² - unde f - frecventa oscilatiei

2.2. Transferul macroscopic de masa

Daca se monteaza in partea inferioara a cavitatii formei o tija vribratoare, a carei suprafata frontala vine in contact direct cu aliajul lichid, circulatia topiturii este j>g.

Transferul macroscopic de masa depinde de corelatia dintre parametrii (a) si (f), avand loc in domeniile II si III nu in domeniul T (fig.7), cand aliajul nu se desprinde de tija vibratoare.

In zona III, desprinderea are loc la φ=0, iar in zona II, desprinderea se produce φ

Cristalele aflate in fluidul care se deplaseaza, vor ciocni ramurile dendritelor in consola, aparand un efort de rupereЪ_r, dat de relatia:

Ъ_r= unde:

p_c - densitatea cristalelor

w- viteza fluidului

Pentru a aprecia efectul amplitudinii si frecventei asupra debitului de aliaj, se analizeaza doua cazuri:

T

unde:

T - perioada miscarii oscilatorii

Tu - timpul de umplere cu aliaj a spatiului creat la desprinderea tijei vibratoare de metale lichide.

Pentru diverse valori ale frecventei (f<1/tu) se obtine o familie de drepte care trec prin punctul de coordonate O₁-nd²gtu/2.

П T<tu< f'ctn

Pentru frecvente mai mari de 1/tu rezulta o familie de drepte, care au aceeasi directie. Daca f→∞, dreapta va trece prin originea sistemului de coordonate.

2.3. Fenomene de cavitate

Sub actiunea oscilatiilor mecanice, aliajul se deplaseaza intr-un regim de curgere dat de criteriul lui Raynolds, in expresia caruia intervin amplitudinea si frecventa de vibrare.

Cavitatea apare atunci cand viteza relativa dintre fluid si cristal este mai mare decat viteza cristalistica. Pe de alta parte la viteze mari de deplasare a aliajului lichid, procesul de cavitatie se poate produce si in afara limitelor cristalelor.

In urma distrugerii bulei de cavitatie gazele din interiorul acesteia se comprima aproape adiabatic.

Implozia care se produce este insotita de o crestere importanta a presiunii locale, care poate avea ca efect sfaramarea cristalelor in curs de crestere.

3. Efecte tehnologice

3.1. Omogenizarea si finisarea structurii de solidificare

Datorita vibratiilor dendritele in curs de solidificare se rup, iar fragmentele rezultate sunt aduse de curentii naturali de convectie sau de miscarea provocata de vibrare in toata masa aliajului.

Se creeaza astfel conditii defavorabile de dezvoltare a zonei macrostructurale columnare, obtinandu-se un numar mare de cristale cu dimensiuni mici.

3.2. Marirea compactitatii materialelor turnate

Obtinerea unui material compact este asigurata daca citeza (v) de patrundere a aliajului in canalele capilare ale zonei bifazice (solid-lichid), este egala cu viteza de contractie (Vcon) (Vcon=

- coeficient de contractie volumica la solidificare

m- raportul dintre volumul de faza lichida din zona bifazica si volumul acestei zone

Vs- viteza de solidificare

Viteza v este dependenta de raza canalului capilar presiunea exterioara, presiunea metalostatica, presiunea gazelor din canal, vascozitatea dinamica a aliajului.

S-a constatat ca oscilatiile micsoreaza tensiunea superficiala si unghiul de umectare si imprima aliajului o viteza initiala maxima. Aceasta viteza creaza o presiune dinamica.

Vibrarea mareste la inceput timpul de formare a crustei solidificate pentru ca ulterior sa-l micsoreze.

Aceast lucru este demonstrat de experimentarile efectuate de B. Gulaiev, A.M.Lipnitki si F.D. Obolentev pe aliaje de Al, determinandu-se temperatura in piesele turnate cilindrice si grosimea stratului solidificat prin scurgerea aliajului nesolidificat in diferite etape ale solidificarii.

Turnarea s-a efectuat in lingotiere de Cu, pentru ca in aceste conditii creste viteza de solidificare iar legalitatea acestui proces se poate releva mai usor.

Termocuplele s-au plasat la nivel mediu, pe inaltimea piesei si pe raza. In fiecare piesa turnata s-au amplasat trei termocuple. Indicatiile termocuplelor s-au inregistrat automat cu un potentiometru electronic cu o constanta de timp de 3s.

Vibratia s-au realizat pe o instalatie construita special cu o frecventa de 1000osc/min, si amplitudine de 1mm. In toate cazurile s-a lucrat in paralel un bloc de control fara vibratie.

In fig. 8. sunt date curbele de temperatura obtinute la solidificarea pieselor turnate cu vibratii si in conditii statice.

Dupa cum se vede curbele nu fixeaza subracirea sau supraincalzirea deaorece metalul in punctele date a atins nivelul termocuplului la o temperatura apropiata de puntul de cristalizare. S-au inregistrat curbe cu un palier corespunzator temperaturii de solidificare.

Fig. 8. Curba de temperatura pentru piese turnate colindrice din Al 000

Marimea palierului de temperatura din momentul umplerii cu metal a formei, la nivelul la care s-a amplasat termocuplul, pana in momemntul aparitiei inflexiunii pe termocuplele plasate la distante diferite de suprafata piesei turnate rata ca solidificarea se produce riguros succesiv.

Scurgerea lichidului rezidual a aratat ca grosimea crustei de metal solidificat la inceputul procesului este ceva mai mare in cazul pieselor turnate static decat piesele turnate si supuse vibratiilor. In continuare, grosimea crustei la vibratie depaseste grosimea blocurilor turnate in conditii statice. Aceasta accelerare creste cu deplasarea limitei de scurgere spre centrul piesei.

Datele obtinute experimental sunt prezentate in figura 9.

Cresterea compactitatii se datoreaza pe de o parte fragmentarii zonei bifazice, iar pe de alta parte favorizarii procesului de patrundere a fazei lichide in cavitatile create ca urmare a contractiei.

Fig. 9. Racirea probelor turnate

conditii dinamice

conditii statice

3.2. Degazarea aliajelor

Pentru a se construi in aliaj, sub forma de separari distincte de raza (r), gazele trebuie sa aiba o presiune (pt) data de relatia:

Pt = pat + pgH + 2σ/r unde:

pat - presiunea atmosferica

pgH - presiunea metalostatica

2σ/r - presiunea determinata de tensiunea superficiala

Dupa formare, viteza de ridicare a separarilor de gaze este data de legea lui Stores.

Sub actiunea vibratiilor are loc o micsorare a tensiunii superficiale σ si a vascozitatii, concomitent cu o crestere (prin unire) a volumului bulelor ceea ce inseamna ca se creeaza conditii favorabile de formare, dar si de ridicare a separarilor de gaze.

3.3. Micsorarea tensiunilor interne

Dintre tensiunile interne care apar in aliaje in timpul procesului de racire, tensiunile termice sunt cele mai periculoase, atat prin valorile mari dar si datorita dificultatilor de prevenire a formarilor.

Oscilatiile mecanice micsoreaza diferenta de temperatura pe sectiunea peretilor piesei turnate conducand astfel la reducerea tendintei de aparitie a tensiunilor interne.

3. Reducerea segregarii

Vibratiile reduc fenomenele de macrosegregare prin marirea vitezei de solidificare (ca urmare a intensificarii transferului de caldura catre forma) dar mai ales prin fragmentarea canalelor capilare din zona bifazica.

De asemenea, producand o amestecare turbulenta a aliajului, oscilatiile mecanice distrug straturile dintre faza solida si lichida, ceea ce determina o diminuare a intensitatii proceselor de microsegregare.

3.5. Eliminarea incluziunilor nemetalice

In conditiile existentei unui gradient de viteza *w in aliajul lichid, frecventa ciocnirilor (Fc) care duc la coalescenta, intre incluziunile cu raze (r₁) si (r₂) se poate determina relatia:

F_c(r₁,r₂) = 4/3Г_w(r₁+r₀)³ N(r₁) N(r₂) E_c

N(r₁); N(r₂) - numarul de incluziuni cu raza (r₁) si (r₂) din volumul luat in considerare;

E_c - eficienta ciocnirilor

Oscilatiile mecanice produc efectele:

marirea probalitatii de ciocnire si coalescenta a incluziunilor, crescand astfel viteza de eliminare a lor;

repartizarea uniforma a particulelor ramase in toata masa aliajului;

reducerea dimensiunii particulelor neeliminate prin finisarea generala a structurii aliajului turnat.

3.6. Cresterea capacitatii de curgere a aliajelor

Oscilatiile mecanice, prin efectul lor de micsorare a vascozitatii si tensiunii superficiale, dar si prin efectele dinamice pe care le genereaza conduc la o crestere insemnata a fluiditatii aliajului, cu toate ca in conditiile de vibrare transferul de caldura se intensifica. Analiza teoretica a influentei vibratiilor asupra capacitatii de curgere a aliajelor se poate face luand in considerare schema din fig. 10.

Daca viteza initiala W₁, imprimata de elementul vibrator se mentine aproximati constant prin interiorul sectiunii 2, iteza totala W_t va fi Wt = W₂ + W₁, unde W₂ este data de relatia:

rezulta:

iar debitul

Fig. 10. Curgerea aliajului sub actiunea vibratiilor

Din ecuatiile precedente rezulta ca vibratiile maresc viteza de curgere si debitul aliajului prin micsorarea tensiunii superficiale si adaugarea elementului aw.

Tehnologii de turnare sub influenta vibratiilor

Vibratiile se pot transmite aliajelor metalice cu ajutorul uno vibratoare mecanice cu excentric ssau electrice, in cursul elaborarii curgerii spre forma de turnare sau chiar in forma, in timpul solidificarii (fig. 11.).

Fig. 11. Solidificarea dinamica a aliajelor prin vibrare

a-in timpul curgerii aliajelor

b - in timpul solidificarii

T - vibrarea aliajului II- vibrarea formei

aliaj lichid

vibrator electromagnetic

vibrator mecanic sau excentric

forma de turnare

In fig. 12. este prezentata schema unui dispozitiv de vibrare pentru lingotiera

La turnarea lingourilor mici si a pieselor cu configuratie simpla se introduc vibratiile direct in masa lichida de aliaj. (fig. 12.)

Fig. 12. Schema dispozitivului pentru vibrarea lingotierei

lingotiera

parghie

cama

nicovala

aliaj

Fig. 13. Schema vibrarii aliajului topit in forma

a.       masa vibratoare

b.      aplicarea vibratiilor cu vibratorul pe fundul lingotierei

c.       aplicarea vibratiilor cu vibratorul la partea superiora

forma

aliaj topit

placa

vibrator