MĚŘENÍ A MODELOVÁNÍ TEPLOTNÍCH POLÍ KOKILY S NÁTĚREM Iva Nová Marek Kalina Jaroslav Exner Technická univerzita v Liberci, Háklova 6 461 17 Liberec 1, ČR Abstrakt The article deals with an influence of the real heat transfer conditions on the total heat transfer in the system: metal casting gas gap mould casting - metal mould. Using experimental measured data compared with computer simulated temperature field results the values of the total heat transfer coefficient at given temperatures were determined for a simple cylinder casting 40 x 200 mm cast from aluminium alloy AlSi9Cu3 in an iron mould. The knowledge of real gap and coating influence is very important for a simulation calculus of solidification and cooling conditions, esp. in metal moulds. 1. ÚVOD V současné době se počítačová simulace začíná používat i při řešení tuhnutí odlitků ve slévárenských kokilách, které mají ošetřen líc nátěrem. Uplatnění simulačních programů při řešení sdílení tepla mezi odlitkem a kokilou je spojeno s dostupností potřebných tepelněfyzikálních veličin, jak odlévaného materiálu, tak slévárenských forem, ale především s teplotní závislostí součinitele prostupu tepla mezi odlitkem a formou. Pracovníci Katedry strojírenské technologie Technické univerzity v Liberci se v poslední době zabývají stanovením teplotních závislostí důležitých tepelně-fyzikálních veličin, potřebných pro modelování tuhnutí odlitků a nálitků ve slévárenských formách, mimo jiné, též v kokilách. 2. SOUČINITEL PROSTUPU TEPLA V SOUSTAVĚ ODLITEK - MEZERA - FORMA V důsledku dilatací odlitku při poměrně rychlém ochlazování v kokile a při současné změně rozměrů formy vzniká mezi odlitkem a formou mezera, která představuje vrstvu vzduchu, popř. plynů. Tvorbou této vrstvy, resp. plynové mezery, se zabýval VEJNIK [ 2 ] a dospěl k závěru, že nejčastěji vzniká na svislých a vodorovných plochách odlitku v místech velkého lineárního smrštění odlitku. Je-li pracovní povrch kokily navíc opatřen nátěrem, a vznikla-li na povrchu odlitku oxidická vrstva, pak tuto celou soustavu zarhnujeme do pojmu mezera. Mezera je tak tvořena oxidickou vrstvou odlitku, plynovou vrstvou a vrstvou nátěru. Z tepelného hlediska mezera vytváří tzv. tepelný přechodový odpor, který má mimořádně velký vliv na intenzitu sdílení tepla mezi odlitkem a formou. Kvantitativní mírou sdílení tepla v mezeře je součinitel prostupu tepla β, který lze stanovit: β = λ OV / X OV + λ PV / X PV + λ N / X N + λ F / X F + α F-O 1 )
kde značí: X OV - tloušťku oxidické vrstvy [m]; X PV - tloušťku plynové vrstvy [m]; X N - tloušťka nátěru [m]; X F - charakteristický rozměr formy [m]; λ OV, λ PV, λ N, λ F tepelné vodivosti oxidické vrstvy, plynové vrstvy, nátěru a formy [W.m -1.K -1 ]; α F-O - součinitel přestupu tepla mezi formou a okolím [W.m -2.K -1 ]. Stanovení hodnoty součinitele β je pro různé typy kokil, jejich nátěry a tvary odlitků velmi obtížné a složité. Tato obtížnost souvisí především s teplotní závislostí tohoto součinitele. Ve zjednodušených případech řešení a při řadě případů simulace se mezera nahrazuje homogenní vrstvou fiktivního materiálu. Právě celkové integrované vlastnosti této vrstvy fiktivního materiálu se musí blížit skutečnému tepelnému projevu plynové mezery. Toto zjednodušení však nevyjadřuje dílčí vlivy oxidické vrstvy odlitku ani vliv nátěru kokily. Pak bychom museli uvažovat, že mezera je tvořena třemi homogenními vrstvami o různých vlastnostech, což by vedlo prakticky k nemožnosti stanovení součinitele β. 3. CHARAKTERISTIKA IZOLAČNÍCH NÁSTŘIKŮ A NÁTĚRŮ Izolační nástřiky a nátěry chrání kokilu nejen před přímým účinkem taveniny, ale zmírňují teplotní gradient v kokile, čímž přispívají k její delší životnosti. Na druhé straně však nástřiky a nátěry mohou být zdrojem plynů. Proto se musí vyznačovat především vysokou žáruvzdorností a nízkou plynatostí. Kokilové nástřiky a nátěry dodávají různé firmy pod různými obchodními názvy a v posledních letech jsou z hygienických důvodů většinou ředitelné vodou. Na našem trhu jsou běžně materiály Metalstar KS 202 ( Klubert Lubrication Benelux s. a.) s velmi dobrými izolačními vlastnostmi, dále pro Al slitiny Cillolin 285 G ( Schäfer ) a nátěry řady Dycote ( Foseco ). 4. EXPERIMENTÁLNÍ A VÝPOČTOVÉ STANOVENÍ TEPLOTNÍCH POLÍ V KOKILE OPATŘENÉ NÁTĚREM Experimenty byly zaměřeny na sledování teplotních polí v soustavě odlitek litinová kokila pro výrobu odlitku tvaru válce 40 x 200 mm. Litinová kokila je vyrobena z LLG ČSN 42 2420. Pracovní povrch kokily byl opatřen podkladovým nástřikem Foseco o tloušťce 0,3 mm, který byl nanášen na kokilu o teplotě 150 o C a nátěrem Cillolin Al 285 G ( ředitelný vodou v poměru 1:2 ), jehož tloušťka byla 0,3 mm ( nátěr byl nanášen na předehrátou kokilu na teplotu 150 o C ). Použitý slévárenský materiál byla slitina AlSi9Cu3, která je perspetivním materiálem pro výrobu hlav válců spalovacích motorů ŠKODA. Slitina je srovnatelná s evropskou normou EN AC 46000. Tavenina před odléváním byla metalurgicky ošetřena rafinační solí T3, teplota lití byla 750 o C. Pro měření teploty v tepelné ose odlitku byly použity termočlánky NiCr Ni o průměru vodičů 0,2 mm. Ve stěně kokily byla teplota měřena plášťovanými termočlánky NiCr NiAl ( výrobce firma LEMO Švýcarsko ). Teplota kokily byla měřena na líci formy a dále ve vzdálenostech od líce: 4, 10, 18, 32, 46, 60, 74, 88 mm. Na obr. 1 je uveden experimentálně naměřený časový průběh teplot v odlitku a kokile. Současně byly nasimulovány programem SIMTEC ( RWP Aachen verze z roku 1999 ) s využitím tepelně-fyzikálních veličin použitých materiálů ( odlitku a kokily ), časové závislosti teplot v odlitku a ve formě při podmínkách jako probíhaly experimenty s cílem dosažení výsledku simulace odpovídajícímu reálným podmínkám. Na obr. 2 je uveden nasimulovaný průběh teplot v odlitku a kokile při odlévání použité hliníkové slitiny. Vedle součinitele tepelné vodivosti litinové kokily rozhodujíci vliv na shodu experimentu a simulace má součinitel prostupu tepla β. Na obr. 3 je uvedena teplotní závislost součinitele
prostupu tepla z odlitku 40 x 200 mm ( slitina AlSi9Cu3 ) do litinové kokily 400 x 200 mm. 2000 Součinitel prostupu tepla [WK -1 m -2 ] 1500 1000 500 0 0 200 400 600 800 Teplota [ C] 1 2 1 - podkladový nástřik tl. 0,3 mm 2 - podkladový nástřik (0,3 mm ) a nátěr Cilollin Al 285 G ( 0,3 mm ) Obr. 3: Součinitel prostupu tepla v závislosti na teplotě a použitém nátěru ( odlitek - plynová vrstva - nátěr - litinová kokila ) Součinitel prostupu tepla β pro danou slévárenskou kokilu s nátěrem a odlévaný materiál byl získán na základě shody experimentálně naměřených a co nejvěrněji odpovídajících nasimulovaných časových závislostí teplot v odlitku a kokile. Simulace byla prováděna na základě respektování teplotních experimentálních podmínek a současně byly použity všechny odpovídající tepelně fyzikální veličiny použitých materiálů odlitku a formy. Podstatné změny pak byly zaznamenány právě u hodnot součinitele prostupu tepla. 5. ZÁVĚR Při simulačních výpočtech tepelných dějů v kovových formách s nátěry sehrávají poměrně důležitou roli tepelně-fyzikální veličiny, jak odlitku, tak kokily. Současně značný význam má součinitel prostupu tepla v systému odlitek plynová vrstva nátěr kokila, který ovlivňuje podmínky sdílení tepla z odlitku do kokily a přispívá ke kvalitě simulačního výpočtu. Příspěvek vznikl za podpory GAČR 106/99/0091 LITERATURA [ 1 ] HAVLÍČEK, F.: Kapitoly z teplofyziky odlitku a formy. [ Skripta ]. VŠB Ostrava 1970. [ 2 ] VEJNIK, A.I.: Rasčot otlivki. 1. Vyd., Moskva 1968.
[ 3 ] NOVÁ, I., EXNER, J., RUS, J., TRUSKA, J.: Příspěvek k simulování tepelných procesů v kovových slévárenských formách. Slévárenství XLV, 1997n č. 8 9, s. 327. [ 4 ] NOVÁ, I., EXNER, J., RUS, J.: Vliv součinitele tepelného přechodového odporu mezery v soustavě odlitek forma. In: sborník přednášek z 8. Mezinárodního sympozia Metal 99 ( 1. díl ). Ostrava 11. Až 13. května 1999, s. 254 259 [ 5 ] EXNER, J., NOVÁ, I.: Příspěvek k simulaci tepelných procesů při výrobě odlitků ze slitin hliníku. Slévárenství XLVII, 1999, č. 1, s. 27 29. [ 6 ] Firemní materiály fy. FOSECO
Obr. 1: Časové závislosti teplot v odlitku a kokile 400 x 200 mm opatřené vrstvou podkladového nástřiku ( 0,3 mm ) a nátěru Cillolin Al 285 G ( 0,3 mm ) při odlévání odlitku tvaru válce 40 x 200 mm z AlSi9Cu3 ( experimentálně naměřeno )
Obr. 2: Časové závislosti teplot v odlitku a kokile 400 x 200 mm opatřené vrstvou podkladového nástřiku ( 0,3 mm ) a nátěru Cillolin Al 285 G ( 0,3 mm ) při odlévání odlitku tvaru válce 40 x 200 mm z AlSi9Cu3 ( nasimulováno )