Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

W. WIERZCHOWSKI, T. Grochal, K. Rabczak

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "W. WIERZCHOWSKI, T. Grochal, K. Rabczak"— Zapis prezentacji:

1 W. WIERZCHOWSKI, T. Grochal, K. Rabczak
INSTYTUT ODLEWNICTWA w KRAKOWIE ŻELIWO O STRUKTURZE TIKSOTROPOWEJ – SPOSÓB WYTWARZANIA I POTENCJALNE WŁAŚCIWOŚCI

2 Przedstawiono krótki przegląd literaturowy zagadnień związanych z technikami Semi-Sold (SSM).
Zaprojektowano i skonstruowano urządzenie do wytwarzania wlewków z żeliwa o globularnej - nieden-drytycznej strukturze fazy pierwotnej w oparciu o zasadę przepływu po płycie pochyłej, tj. metodę SCP (Slope Cooling Plate). Wykonano próby z zastosowaniem żeliwa szarego podeutektycznego i żeliwa wysokochromowego. Doprowadzono do fragmentaryzacji i globularyzacji austenitu pierwotnego. Zaobserwowano równoczesny wpływ zastosowanej techniki SCP na postać grafitu w żeliwie szarym.

3 Techniki semi-solid – sposoby oddziaływania zewnętrznego na stopy metalu w stanie półciekłym (ang. Termin: SSM) – tj. gdy stop znajduje się w temperaturze pomiędzy likwidusem TL i solidusem TE Z punktu widzenia odlewników obróbka ta obejmuje stopy podeutektyczne, a jej istotą jest niedopuszczenie do dendry-tycznej krystalizacji fazy pierwotnej. Następuje fragmen-taryzacja i globularyzacja (sferoidyzacja) fazy pierwotnej oraz rozdrobnienie składników fazowych eutektyki Rezultatem jest uzyskanie przez materiał zdolności do płynięcia, co nazwano właściwościami reologicznymi oraz możliwość występowania „efektu tiksotropowego”.

4 U podstaw technik semi-solid - prace przeprowadzone w latach 70-ych w MIT pod kierunkiem prof. M. C. Flemings’a nad stopami Sn- Pb, Al-Cu i Al-Si [MIT]. Badania lepkości w stanie półciekłym (izotermiczne) i w trakcie przechodzenia od stanu ciekłego do półciekłego, w oparciu o pomiar naprężeń ścinających (mieszanie mecha-niczne wiskozymetrem i pomiar momentu sił ścinających) wykazały: Podczas mieszania izotermicznego, przy udziale fazy stałej nieco wyższym niż fs = 0,4, naprężenie ścinające wynosiło około 200kPa, natomiast w tym samym stopie mieszanym od stanu ciekłego i przy tym samym udziale fazy stałej, wynosiło 3 rzędy mniej, tj. około 0,2 kPa.

5 W określonych warunkach (temperatura początkowa, temperatura końcowa, mieszanie izotermiczne albo nieizotermiczne, szybkość mieszania, czas mieszania) lepkość pozorna (apparent viscosity) stopów w stanie semi-solid osiągała nadzwyczaj niskie wartości – na skali od lepkości oleju poprzez lepkość miodu, pasty do zębów do lepkości melasy zależnie od udziału fazy pierwotnej (rys.1). Dotyczyło to badanych stopów (Sn- Pb Al-Cu i Al-Si), ale późniejsze doświadczenia pokazały, że również wyżej topliwe stopy wykazywały podobne właściwości w stanie s-s.

6 Rys. 1. Porównanie lepkości stopów w stanie semi-solid ze znanymi cieczami.

7 Obserwacje struktury wyjaśniły przyczynę tak małej lepkości – brak dendrytów fazy pierwotnej – po mieszaniu ścinającym stop podeutektyczny w zakresie od powyżej TL do TE przyjmuje postać zawiesiny sferycznych (globularnych) ziaren fazy pierwotnej w cieczy, która to ciecz po obniżeniu temperatury do TE krzepnie jako eutektyka. Stop uzyskuje właściwości reologiczne i powstaje możliwość wykorzystania „efektu tiksotropowego”. Mechanizm krystalizacji globularnej : odrywanie ramion dendrytów – nowe ziarna, ujednorodnianie zawartości domieszki (dojrzewanie – ripening i wzrost równoosiowy). Poniżej najczęściej demonstrowany rysunek poglądowy rys.2. obrazuje ten mechanizm

8 Rys. 2. Ewolucja kształtu: a) początek; b)wzrost dendrytu; c)kształt
Wzrost szybkości ścinającej Zwiększenie czasu ścinania Obniżenie szybkości studzenia Rys. 2. Ewolucja kształtu: a) początek; b)wzrost dendrytu; c)kształt rozetkowy; d) dojrzewanie (ripening); e) koniec

9 Dygresja (def.):Tiksotropia, odwracalna, izotermiczna przemiana żelu w zol zazwyczaj pod wpływem czynników mechanicznych. Efekt tiksotropowy w stopach podeutektycznych z globu-larną fazą pierwotną – odwracalność stanu stałego i stanu półciekłego semi-solid, co upodabnia to zjawisko do przemiany tiksotropowej. W stanie stałym ziarna fazy pierwotnej rozłożone w przestrzeni wypełnionej eutektyką, a po podgrzaniu do stanu semi-solid (TL do TE) stają się płynną zawiesiną w cieczy powstałej z roztopienia się eutektyki. Po ponownym zakrzepnięciu metal wraca do struktury wyjścio-wej. Stąd struktura z globularnymi wydzieleniami fazy pierwotnej będzie nazywana strukturą tiksotropową albo globularną.

10 Cechy stopów o strukturze tiksotropowej:
Maksymalne ujednorodnienie struktury Zminimalizowanie skurczu odlewniczego – w perspektywie wytwarzanie elementów na gotowo (“net-shape” lub “net-to-shape”). Struktura korzystna dla właściwości mechanicznych (ciągliwość, udarność, odporność na szoki cieplne) Możliwość poszerzenia zakresu wykorzystania stopów dotychczas już stosowanych, np. do odlewów cienko-ściennych. Możliwość powstania nowych stopów (w połączeniu z in-nymi zabiegami technologicznymi, np. z obróbką cieplną nadzwyczajne właściwości mechaniczne).

11 Proces semi-solid w praktyce technologicznej – dwa następujące elementy:
Wytwarzanie struktury tiksotropowej; Kształtowanie elementów. Metody wytwarzania struktury tiksotropowej: Mieszanie mechaniczne Mieszanie magnetohydrodynamiczne (często odlewanie ciągłe) New rheo-castning (NRC) – do stopów Mg (2-stopniowe wlewanie stopu do stalowego tygla, odlewanie w zakresie s-s. Formowanie natryskowe (Sprayformed) Rekrystalizacja z częściowym topieniem (RAP) i SIMA – metody polegające na poddaniu stopu zgniotowi, rekrystalizacji i podgrzaniu do temperatury powyżej likwidusa Metoda chłodzącej płyty pochyłej (SCP)

12 Metoda As-cast do żeliwa sferoidalnego nadeut
Metoda As-cast do żeliwa sferoidalnego nadeut. (nowość) i do żeliwa sferoidalnego wysokochromowego. Metoda szybkiego nagrzewania (odmiana As-cast) wykorzystana jest niejednorodność składu w fazie pierwotnej (działa przy szybkości 80°/min). Do wytwarzania struktury tikso w żeliwie – metoda SCP stosowana jest jako podstawowa. Metody kształtowania elementów: Formowanie bezpośrednie (Rheoforming): odlewanie (w tym odlewanie ciągłe) – reokasting (Rheocastng) lub kucie – reofordżing (Rheoforging). Formowanie tiksotropowe (Thixoforming) – formowanie z wlewków uprzednio wykonanych poprzez reokasting: odlewanie tiksotropowe (Thixocasting) i kucie tiksotropowe (Thixoforging).

13 Formowanie bezpośrednie stosowane jest w ograniczonym zakresie w maszynach ciśnieniowych, a głównie do produkcji wlewków o strukturze tiksotropowej w szczególności mieszanie MHD + odlewanie ciągłe (jako surowiec do tiksoformingu). Przeważa formowanie tiksotropowe.

14 Technikę SSM zdołano wdrożyć do produkcji tylko w przypadku stopów niskotopliwych, przeważnie Al i Mg. Stopy wysokotopliwe czekają na swój czas. Z powodu wysokiej temperatury procesu brak jest jeszcze opłacalnych rozwiązań przemysłowych, w szczególności odnośnie formowania elementów. Wytwarzanie przemysłowe wlewków o strukturze tikso-tropowej jest już możliwe, chociaż jest wiele problemów do rozwiązania. Prace badawcze trwają, jest ich coraz więcej i obejmują obydwa obszary technologii SSM: wytwarzanie struktury tikso + badanie właściwości stopów + poszukiwanie nowych materiałów kształtowanie elementów techniką s-s.

15 Celem moich prac jest opracowanie skutecznego wytwarzania struktury tiksotropowej przy użyciu krystalizatora typu SCP. Zbudowano urządzenie, którego zasadniczym elementem jest miedziana płyta pochyła z wydrążonym rowem o kształcie „U” wzdłuż powierzchni górnej (długość płyty 600 mm i 1000 mm). Rów stanowi drogę przepływu ciekłego metalu. Dolna powierzchnia zawiera chłodnicę wodną. Kąt pochylenia płyty reguluje specjalny mechanizm. Krystalizator zawiera również mechanizm regulacji długości drogi przepływu. Kadź wylewowa zatyczkowa z waty mineralnej z otworem w dnie i wypływem skierowanym w stronę formy. Zatyczka z rury kwarcowej zasklepionej kuliście. Płyta, kadź i zatyczka pokrywano roztworem wodnym BN

16 Rys. 3. Zasada działania metody SCP
Układ pomiarowy Rys. 3. Zasada działania metody SCP

17 Badania obejmowały żeliwo podeutektyczne szare, żeliwo chromowe, wykonano także próby z żeliwem sferoidalnym. Podstawą były obserwacje struktury i w przypadku żeliwa szarego także morfologia grafitu. Zastosowano metodę trawienia selektywnego. Topienie prowadzono w piecu indukcyjnym średniej częstotliwości Radyne w tyglu o nominalnej objętości żeliwa około 30 kG. Każda próba wykonywana była z kąpieli metalowej około 20 kg. Obróbka SCP poprzedzana była wyznaczeniem temperatury likwidus TL ; DT i TW (wylewania)= TL+ DT. W formie temperatura TM.

18 Rys 4. Układ doświadczalny okiem kamery termowizyjnej

19 Zastosowana metoda okazała się skuteczna dla podeutektycznego żeliwa szarego i żeliwa chromowego, w szczególności żeliwa o zawartości około13% wag. Cr. Poniżej przykłady struktury żeliwa szarego opisanego w Tabeli1 przed i po SCP (rys. 6 i 7) Oraz przykłady struktury żeliwa chromowego opisanego w tabeli 2 przed i po SCP (rys. 8 i 9). Stwierdzono, że obróbka SCP ma duży wpływ na strukturę eutektyki, w tym w szczególności na morfologię grafitu. Widać to na rys. 6b i 7b, a dokładniej przedstawiono w tabeli 3.

20 Tabela1 Dane dla żeliwa szarego
Próba Zawartość pierwiastków, % Zakres temperatury: likwidus TL; solidus TE, °C CE, % C Si Mn 01 3,15 2,07 0,47 1189 ; 1149 3,84 02 3,10 2,06 0,46 1199 ; 1147 3,79

21 Tabela 2 Dane dotyczące żeliwa chromowego
Próba Zawartość pierwiastków, % Zakres temperatury: likwidus TL; solidus TE, °C C Mn Cr 01 C 2,80 0,57 12,60 1275 ; 1216 02 C 2,70 0,53 12,70 1281 ; 1219

22 Rys. 6. Próba 01; droga przepływu 600 mm; kąt pochylenia 10°
a) skala: 200mm b) skala: 200mm c) skala: 500mm d) skala: 500mm Rys. 6. Próba 01; droga przepływu 600 mm; kąt pochylenia 10°

23 Rys. 7. Próba 02; droga przepływu 600 mm; kąt pochylenia 10°
a) skala: 200mm b) skala: 200mm c) skala: 500mm d) skala: 500mm Rys. 7. Próba 02; droga przepływu 600 mm; kąt pochylenia 10°

24 Rys. 8. Próba 01 C; droga przepływu 600 mm; kąt pochylenia 10°
a) traw. LBI [skala: 500mm] b) traw. LBI [skala: 500mm] Rys. 8. Próba 01 C; droga przepływu 600 mm; kąt pochylenia 10°

25 Rys. 9. Próba 02 C; droga przepływu 600 mm; kąt pochylenia 10°
a) traw. LBI [skala: 500mm] b) traw. LBI [skala: 500mm] Rys. 9. Próba 02 C; droga przepływu 600 mm; kąt pochylenia 10°

26 Tabela 3 Morfologia grafitu
Oznaczenie próby Stan próbki metalu Struktura grafitu Zgodnie z: PN-EN ISO 945 01 As-cast IA4 – 100% Po obróbce SCP ID6 – 30%; ID8 – 70% 02 IA4 – 50%; ID5 – 50% ID5 – 40%; ID8 – 60%

27 27 Na podstawie wykonanych prób ustalono następujące warunki brzegowe dla zbudowanego krystalizatora: Długość drogi przepływu strugi metalu przy kącie pochylenia 10° nie mniejsza niż 300 mm i nie większa niż 550 mm Kąt pochylenia płyty 9-12° Intensywność chłodzenia taka, by temperatura płyty w warunkach ustalonych wynosiła około 40-50°C Temperatura wylewania metalu na płytę im niższa, tym lepiej, dolną granicę limitują problemy z niszczeniem się kadzi.

28 Wnioski: Metoda chłodzącej płyty pochyłej SCP może służyć do wytwarzania struktury tiksotropowej w żeliwie szarym podeutektycznym i w żeliwie wysokochromowym; konstrukcja autorów pozwala na wytwarzanie wlewków o wadze do 2 kg. Prace autorów dają podstawy do stworzenia modelu dla konstruowania urządzeń o innej wielkości opartych o metodę płyty pochyłej

29

30 Rysunek powyższy: Sekwencja obrazów ilustrujących kolejne mapy dynamicznego rozkładu temperatury, zmieniające się wraz z czasem przebiegającego procesu stygnięcia płyty. Na rysunkach zaznaczone zostały przykładowe linie siatki (w kierunkach zgodnym i prostopadłym do pobocznicy rynny), wzdłuż których można obserwować przebieg temperatury (rys. 3).

31

32 Rysunek powyższy: Rozkład temperatury w chwili oznaczonej symbolem t = 00:12 w punktach poziomej osi współrzędnych (równoległej do dolnej krawędzi rysunku) wzdłuż linii / siatki (dowolnie wybranych) zaznaczonych na obrazie z lewej strony rysunku.


Pobierz ppt "W. WIERZCHOWSKI, T. Grochal, K. Rabczak"

Podobne prezentacje


Reklamy Google