ASTM B-108 PRÓBATEST BEÖMLŐ-ÉS TÁPLÁLÓRENDSZERÉNEK FEJLESZTÉSE CONTROL VOLUME SZIMULÁCIÓVAL Budavári Imre 1, Varga László 2, Molnár Dániel 3 1 PhD hallgató, 2 főiskolai docens, 3 egyetemi docens Miskolci Egyetem, 3515 Miskolc-Egyetemváros, Magyarország Az elmúlt évtizedekben az öntészeti alumínium ötvözetekből készült alkatrészek alkalmazása egyre jobban elterjedt a járműiparban, ahol az öntvényekkel szemben támasztott felhasználói igények (pl. kis tömegű, növelt mechanikai tulajdonságú) egyre nagyobb kihívást jelentenek a gyártók számára. A kívánt minőségű öntészeti ötvözetek előállítása csak a technológiai folyamatok állandó szinten tartásával, a technológiai paraméterek szűk tűrésmezőjének fenntartásával lehetséges. Az öntvénygyártás során az egyes technológiai lépések minősítésének, szabályozásának egyik lehetséges vizsgálati eszköze a technológiai próbatestek alkalmazása. Cikkünkben a Novaflow&Solid CV szimulációs program alkalmazásával különböző beömlőrendszerrel kialakított szakítópróbatestet terveztünk, vizsgáltuk a formatöltési, dermedési viszonyokat és a zsugorodási jellemzőket. A kialakított elrendezéssel öntött technológiai próbatestet alkalmasnak találtuk alumínium olvadékok gyártása során a szilárdsági tulajdonságok vizsgálatára. Kulcsszavak: alumínium, szakító próbatest, geometriai tervezés, control volume, szimuláció, formatöltés, dermedés, zsugorodás Bevezetés Az alumíniumból öntött öntvények gyártása során az ötvözetek minősítése a teljes gyártási folyamaton belül magába foglalja a mechanikai tulajdonságok vizsgálatát és ellenőrzését. Az alkalmazott betétanyag minősége, az olvasztás során beállított olvadék összetétele, az olvadékkezelési folyamatok (módosítás, szemcsefinomítás, gáztalanítás), az öntési paraméterek és a hőkezelés alapvetően meghatározzák a mechanikai tulajdonságokat (folyáshatár, szakítószilárdság, nyúlás). Napjainkban számos technológiai próbatestet alkalmaznak az öntödékben, melyekkel nyomon követhető az egyes technológiai lépcsőkben az ötvözet szilárdságának változása és az egyes technológiai paraméterek változtatásának hatása [1-2]. Az alumínium ötvözetek szakítószilárdságának meghatározására különböző geometriájú próbatesteket fejlesztettek ki, melyek az alábbi szempontok szerint csoportosíthatók: homok, vagy fémformába öntött, megmunkálandó, vagy készre öntött, falvastagság érzékenységet figyelembe vevő, vagy állandó falvastagságú. Az egyes kifejlesztett szakító próbatestet kialakító próbavevő kokillák közül az öntödékben leginkább elterjedtek az ún. Step Mold (lépcsős forma) és a Stahl Mold (Stahl forma). Az ún. Step Mold egy különböző falvastagságokkal kialakított lépcsős geometriájú próbatest, mely a próbatest egyes részeinek eltérő hűlési viszonyai miatt lehetővé teszi a falvastagság-érzékenység hatásának vizsgálatát. Hátránya a DOI: 10.26649/musci.2015.023
leöntött próbatest jelentős megmunkálási igénye, ezáltal a további vizsgálatok előkészítésének többlet időszükséglete. A lépcsős forma fejlesztésével párhuzamosan terjedtek el az iker szakítópróbatestek leöntésére alkalmas kokilla variációk, melyek alkalmazása esetén jelentősen lecsökken a megmunkálási igény és ezzel a mérés előkészítésének időszükséglete. Az első szakítóformát 1948-ban Ebert és társai tervezték 12,7 mmes keresztmetszetű szakító pálcákkal. 1972-ben az ISO bejegyezte Grandier- Vazeille és Jacob 11,2 mm-es iker szakítópálca geometriáját. Napjainkban az öntödékben leginkább elterjedt a Whaler (Stahl Specialty Company) által tervezett forma, mely 1980-ban bekerült az ASTM szabványba. A szakirodalom ezt a 12,7mm-es keresztmetszetű iker szakítópálcát befoglaló formát ASTM B-108, vagy Stahl forma néven tartja számon [2-4]. Az ún. Step Mold és Stahl Mold próbatestek geometriái az 1. ábrán láthatóak. 1. A technológiai tervezés folyamata 1. ábra Step Mold (bal), és Stahl Mold (jobb) geometriák Kísérleteink során az ASTM-B108 szakítóforma továbbfejlesztésével olyan iker szakítópróbatest kokilla technológiai tervezését valósítottuk meg számítógépes szimulációval, mely minimális megmunkálással és előkészítési idővel alkalmas alumínium ötvözetekből öntött próbatestek szakítószilárdságának vizsgálatára. A szimulációs vizsgálatok során 16 féle tervezett öntvénygeometria formatöltési és dermedési folyamatát vizsgáltuk. A tervezés folyamata az alábbi lépésekben történt: - Előzetes vizsgálatok: Öt tervezett geometria formatöltési-, dermedési folyamatainak párhuzamos szimulációja, a kialakuló szívódások és porozitások vizsgálata céljából. - További fejlesztések: Az előzetes vizsgálatok figyelembevételével további geometriai módosítások (összesen 11db), az egymás után következő szimulációk eredményeinek figyelembevétele alapján. Az önteni kívánt szabványos szakítópálca geometriája a 2. ábrán látható. 2. ábra Szakítópálca geometria [mm]
1.1. Szakítópróbatest technológiai tervezése A technológiai méretezés során Solid Edge V20 alakelem alapú tervezőprogrammal olyan szakítópróbatest kokilláját terveztük meg, amely alkalmas két szakítópálca egyidejű öntésére. A szimulációs vizsgálatokat a 3. ábrán látható rendszer logikai sémája alapján végeztük el, melynek első lépése a szakítópálca geometria 3D testmodelljének elkészítése, majd ennek alapján a próbatest geometria, mint öntvény, technologizálása volt. 3. ábra A szimuláció részfolyamatai A tervezés első lépésében a próbatesthez öt eltérő kivitelű beömlőrendszer kialakítást terveztünk, melyek közös jellemzője a hatszög keresztmetszetű, folyamatosan szűkülő beömlő. Közvetlenül a bekötőcsatornához csatlakozó állót állandó keresztmetszetű kör-, ill. hatszög kivitelben alakítottuk ki. Öt geometriai kivitel esetén az álló alsó részében egy pihentetőt is elhelyeztünk az olvadék turbulens keveredésének csökkentése érdekében. Ez a pihentető térfogatrész a pálca alsó befogó feléhez csatlakozik. Az első öt geometriai kivitel esetén nem terveztük tápfej elhelyezését, hogy megfigyelhető legyen a geometria utoljára dermedő öntvényrészének elhelyezkedése, ill. a dermedés során kialakuló porozitások megjelenése. Megtervezésre került a befoglaló kokilla formája is, a téglatest geometria méretei: 155x130x60mm. A beömlőrendszer méreteit technológiai tapasztalat alapján határoztuk meg, melyek az 1. táblázatban láthatóak. 1. táblázat A tervezett beömlőrendszerek méretei Verzió Kialakítás Bekötőcsatorna keresztmetszete Álló [cm 2 ] keresztmetszete Felső Középső V1 Kiinduló kör 72/48 60/42 V2 Alsó pihentető kiszélesítve kör 72/48 60/42 V3 Beömlőrendszer módosítása (hatszög alakú hatszög 72/48 60/42 álló, bekötő kiszélesítve) V4 Rávágás csak a pálca alsó részén hatszög - 54/36 V5 Bekötő méretek változtatása, rávágások feljebb helyezése hatszög 72 54/36
A 4. ábrán a tervezett öntvénygeometriák láthatóak. 4. ábra Az eltérő beömlőrendszerrel tervezett iker szakítópróbatest geometriák 2. Vertikális beömlőrendszerrel tervezett öntvény szimulációs vizsgálatai A szimulációs vizsgálatokhoz a svéd NovaCast cég által fejlesztett NovaFlow&Solid szimulációs programot alkalmaztuk. Első lépésként beolvastuk a programba a vizsgált geometriát, majd meghatározásra került az öntési helyzet. A hálógenerálás során a szabályozott térfogatok módszere alapján osztottuk fel a vizsgált tartományt véges számú résztartományokra. A következő lépés a számítási folyamat volt, melynek során meghatározásra kerültek a kiindulási- és peremfeltételek: ötvözet anyaga: AlSi9Cu3, öntési hőmérséklet: 750 o C, forma anyaga: 2343 típusú szerszámacél, forma kezdeti hőmérséklete: 350 o C, környezeti levegő hőmérséklete: 30 C, öntés módja: billentve öntés, billentés szöge: 60. 2.1 Előzetes vizsgálatok kiértékelése A formatöltési vizsgálatokból megállapítható, hogy a folyékony fém közel lamináris áramlással tölti fel a formát, de a kialakított beömlőrendszer számos formatöltési hibát eredményezett. A szimuláció során az alábbi formatöltési hibákat tapasztaltuk: - A folyékony fém az állóban elválik a formafaltól, maga előtt tolja a besodort levegőt. - A bekötőcsatornák mérete és csatlakozási pozíciója nem megfelelő. Négy geometria esetén az alulról és felülről áramló fém a próbatest vékony keresztmetszetében érintkezik, az egymásnak csapódó olvadékáramok turbulenciákat okoznak, mely levegőbezáródás kialakulásához vezethet. - A formatöltés során további levegőbezáródások alakultak ki a próbatest felső befogó részében, a bekötőcsatornák környezetében. Az 5. ábrán láthatóak az egyes formatöltési hibák különböző geometriai variációk esetén. Skála: folyékony fém áramlási sebessége. v=0,1-2 m/s. 5. ábra Formatöltési hibák különböző geometriai kialakításoknál (V1, V2, V3 verzió)
A dermedési-lehűlési folyamatok vizsgálata során megállapítottuk, hogy a kis áramlási sebesség és a kokilla gyors hőelvonásának következtében már a formatöltés közben megkezdődik az olvadék dermedése. A folyékony fém a felső bekötőből a formaüregbe jutva lehűl, így a pálca részben az olvadék már szilárd részecskéket is tartalmaz, amely hibák kialakulásához vezethet (pl. inhomogenitás, porozitás). A próbatest dermedési viszonyait mutatja be a 6. ábra. 6. ábra V1-V5 öntvénygeometriák dermedési viszonyai A dermedés során kialakuló porozitások számításánál meghatároztuk a kialakuló porozitások pozícióját és eloszlását. A különböző geometriai variációk esetén kialakult porozitások összehasonlítását mutatja be a 7. ábra. Skála porozitás: 1-15%. 7. ábra A dermedés során kialakuló porozitások különböző geometriai variációk esetén A dermedés végén a porozitás jelentős hányada a szakítópróbatest vastagabb, befogó részében, a bekötőcsatornák közelében figyelhető meg. A harmadik, negyedik és ötödik variációnál a vékony pálca részben 4-5% a kialakuló porozitások mennyisége. A vékony pálca rész kritikus térfogatrész, mert a szakítóvizsgálatok során a feszültséggel terhelt szerkezet következtében már kisebb terhelésnél elszakad a próbatest. Az eredmények alapján további módosítás szükséges, a beömlőrendszer újratervezésével, valamint az öntvény tömörre táplálása érdekében tápfejek elhelyezésével. 2.2 További fejlesztések Az előzetes vizsgálatok eredményei alapján került módosításra a beömlőrendszer kialakítás, valamint két darab tápfejet helyeztünk el a próbatestek felső részén. A tervezett geometriai variációk adatait a 2. táblázat tartalmazza. Tíz új geometriai variáció formatöltési és dermedési szimulációját futattuk le, az egyes módosításokat mindig az előző vizsgált geometriai modell eredményeinek figyelembevételével terveztük meg. Az első öt geometriai variációnál alkalmazott pihentetőt az anyagkihozatal javulása érdekében mellőztük. Az egymást követő módosításokkal fokozatosan sikerült elérni egy olyan beömlő- és táplálórendszer kialakítást,
melynek eredményeként elkerülhető a dermedés során kialakuló porozitás a pálca kritikus részén, ill. a befogó fejben. 2.táblázat Szakító próbatestek beömlőrendszerének méretei (tápfej keresztmetszete 12,56 cm 2 ) Verzió Álló típusa Bekötőcsatorna keresztmetszete [cm 2 ] Felső Középső A 72 240/210 (szűkülő) B 72 168 C 72 90 D kör 72 336 E, F 150 336 G 160/250 (szűkülő) 336 H 180 336 I hatszög 216 300/175 (szűkülő) J hatszög 240/147 360/210 (szűkülő) (szűkülő) A tervezett geometriák a 8. ábrán láthatóak. 8. ábra Különböző iker szakítópróbatest geometriák (Első sor: A, B, C, D, E, F ; Második sor: G, H, I, J,K variáció) A 10 további szimuláció kiindulási- és peremfeltételeinek meghatározásánál az előzetes vizsgálatoknál már ismertetett paramétereket használtuk. Az összes geometria részletes bemutatására és az eredmények elemzésére e cikk keretein belül nincs lehetőség, ezért csak az utolsó K jelű geometria eredményeit ismertetjük, mely formatöltés és dermedés szempontjából is optimális. 2.3 Az optimális öntvénygeometria bemutatása A geometriai változtatások alapján a K jelű geometria segítségével sikerült kialakítani a megfelelő formatöltési és dermedési viszonyokat. A formatöltési számítások kiértékelése során azt tapasztaltuk, hogy a tervezett szűkülő keresztmetszetű állóval közel ideális áramlási viszonyok valósíthatóak meg. A
formatöltés során a folyékony fém az alsó és felső bekötőn áramlik a formaüregbe, a két olvadékáram pedig a szakító próbatest felső befogójában érintkezik, ezáltal elkerülhető a porozitás kialakulása a szakító pálca középső, vékony térfogatrészében. A 9. ábra a formatöltés egy kiragadott időpillanatában mutatja be az áramlási viszonyokat. Skála: áramlási sebesség 0.1-2 m/s. 9. ábra A folyékony fém áramlása a formaüregben A tervezett beömlő- és táplálórendszerrel megvalósul az irányított dermedés, az utoljára megdermedő térfogatrész a tápfejben figyelhető meg, ezáltal a tervezett geometriánál a pálca és a befogó részben is sikerült elérni a porozitás mentességet. A 10. ábrán a K geometria utoljára megdermedő öntvényrésze és a dermedés során kialakuló porozitás figyelhető meg. 10. ábra Az utoljára dermedő öntvényrész (bal) és a porozitás mértéke a dermedés végén (jobb) A szimulációs vizsgálatok kiértékelése után céges partner közreműködésével legyártásra került a mintavevő kokilla, melyet folyamatos használnak az Öntészeti Intézet kutatási munkáiban. A szakító próbatest alkalmazásával vizsgáltuk többek között a mangán-vas arány, és a stroncium tartalom módosításának hatását különböző alumínium ötvözetek szilárdsági tulajdonságira. A 11. ábrán nyomon követhetők a K próbatest fő tervezési lépcsői.
3. Összefoglalás 11. ábra Az iker szakító próbatest tervezése és megvalósítása Vizsgálataink során az ASTM B-108 szabványos technológiai próbatest továbbfejlesztésével egy olyan iker szakítópróbatest próbavevő kokilláját terveztük meg, amely alkalmas alumínium ötvözetek szilárdsági tulajdonságainak vizsgálatára. A vizsgálatok első részében különböző beömlőrendszer variációk formatöltési és dermedési viszonyait, valamint a dermedés során kialakuló porozitások elhelyezkedését és méretét vizsgáltuk. Megállapítottuk, hogy az állandó keresztmetszetű álló kedvezőtlen a formatöltés során, mivel az olvadék elválik a formafaltól és levegőt sodor magával. Az alulról és felülről áramló túlhűlt olvadék a vékony keresztmetszetben találkozik, amely porozitás és levegőbezáródás kialakulásának potenciális forrása lehet. A dermedés végén a bekötőcsatorna közelében jöttek létre porozitások, a vékony pálcában és a befogóban egyaránt. Az eredmények figyelembevételével terveztük meg a további geometriai variációkat. Folyamatos közelítések során, a beömlő egyes elemeinek átméretezésével, valamint tápfej alkalmazásával sikerült megvalósítani a várhatóan hibamentes szakítópróbatest elrendezést, mely esetén szívódási üreg csak a tápfejben alakul ki. A vizsgálatok után, a kiválasztott próbatest kokilláját elkészítve kezdődtek meg az üzemi és laboratóriumi mérések. Irodalom [1] G. K. SIGWORTH: Understanding Quality in Aluminum Castings. American Foundry Society, Foseco, USA, 2011 [2] T.A.KUHN: Use of of'standard Molds to Evaluate Metal Quality and Alloy Properties. AFS Transaction, 2009, vol. 117, pp. 55 62. [3] M. TWILLEY: ASTM B-108 Tensile bar mold redesign. International of Journal of MetalCasting, AFS/FEF Student Technology Contest, MI, USA 2012 [4] YAOU WANG et al.: Improvement in Mechanical Properties of A356 Tensile Test Bars Cast in a Permanent Mold by Application of a Knife Ingate. The Minerals, Metals & Materials Society and ASM International, USA, 2011 [5] L. J. EBERT, R. E. SPEAR, and G. SACKS: AFS Transaction, 1948, vol. 56, pp. 315-333.