Odlewane metalowe materiały kompozytowe
Transkrypt
Odlewane metalowe materiały kompozytowe
Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Jerzy JJ. Sobczak Odlewane metalowe materiały kompozytowe Instytut Odlewnictwa Zarząd Główny Stowarzyszenia Technicznego Odl Odlewników ikó Polskich P l ki h Zespół Kompozytów Komitetu Nauki o Materiałach Polskiej Akademii Nauk Jubileusz 85-lecia urodzin i 65-lecia pracy naukowej Profesora Zbigniewa Górnego -1- Źródło: JOM Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Kraków Zakopiańska 73 Kategoria „A” www.iod.krakow.pl -2- Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Fakty o odlewnictwie 1. Ponad 90% wszelkich komponentów maszyn i urządzeń stanowią odlewy 2. Odlewnictwo jest kręgosłupem całego przemysłu w wielu wiodących krajach świata 3. Odlewnictwo europejskie generuje 150 mld EUR przychodów w pokrewnych obszarach przemysłu 4. Jedno miejsce pracy w odlewnictwie UE powoduje powstanie 20 miejsc pracy w sektorze obsługi i łańcuchu poddostawców 5. Odlewnictwo w wielu krajach uznawane jest za strategiczną gałąź gospodarki 6. Odlewnictwo jako metoda wytwarzania wyrobów ze stanu ciekłego i ciekłostałego rozwija się niezwykle ekspansywnie, stanowiąc atrakcyjne rozwiązanie alternatywne dla pozostałych technologii, technologii w tym przeróbki plastycznej i technik łączenia (np. spawania) Źródło: Raport Komisji UE ds. Rozwoju Przemysłu, 2010 (niepublikowany) -3- Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Centrum Polskiego Odlewnictwa (konsolidacja branży) Stowarzyszenie Techniczne Odlewników Polskich Odlewnicza Izba Gospodarcza Wydział Odlewnictwa AGH -4- Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Polska Platforma Technologiczna Odlewnictwa W grupie Platform Technologicznych w obszarze metalurgii obok Platform Technologicznych Metali Nieżelaznych i Stali została w kwietniu 2007 roku powołana Polska Platforma Technologiczna Odlewnictwa Cel strategiczny g y - zrównoważony y rozwójj p polskiego g przemysłu odlewniczego Konsolidacja branży PPTO T -5- Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 1993 – I Polska Konferencja Kompozytowa w Instytucie Odlewnictwa (inicjatywa prof. Natalii Sobczak i prof. Zbigniewa Górnego) 1994 – Założenie Polskiego Towarzystwa Materiałów Kompozytowych (Przew. Prof. Janusz Braszczyński, wiceprzew. Prof. Zbigniew Górny) – …celem PTMK jest integracja specjalistów z zakresu kompozytów i wymiana doświadczeń oraz promocja nowoczesnych tworzyw kompozytowych… 1994 – Prof. Zbigniew Górny przewodniczył polskiej delegacji do USA, gdzie w trakcie posiedzenia Komisji Kompozytów (Composite Division) Amerykańskiego Stowarzyszenia Odlewników (American Foundrymen Society) w Des Plaines, prof. N. Sobczak wygłosiła referat z zakresu MMCs Profesor Zbigniew Górny członkiem założycielem i honorowym członkiem Polskiego Towarzystwa Materiałów Kompozytowych -6- Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Des Plaines pod Chicago, Illinois, siedziba Amerykańskiego Stowarzyszenia Odlewników ( S) rok 1995. Prof. (AFS), f Zbigniew Górny Gó wraz z prof. f Natalią S Sobczak w oczekiwaniu na rozpoczęcie obrad Komisji Kompozytów AFS i wystąpienie delegacji polskiej -7- Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Zakopane, rok 1997, prof. Zbigniew Górny wraz z prof. Natalią Sobczak w czasie obrad pierwszej konferencji NATO-wskiej z zakresu lekkich, zaawansowanych stopów i kompozytów. Na tej historycznej konferencji, w imieniu Instytutu Odlewnictwa, wygłoszono dwa wykłady plenarne -8- Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Kompozyty jako materiały inżynierskie: 1. Osnowy kompozytów – stopy monolityczne 1 2. Metalowe materiały kompozytowe wytwarzane z udziałem fazy ciekłej 3 Media 3. M di wysokoporowate k t (w ( ttym gazary)) 4. Materiały funkcjonalnie gradialne 5. Nanomateriały (nanotechnologie) Procesy odlewania z krystalizacją pod ciśnieniem Specjalne metody badań: 1. Badania oddziaływania wzajemnego w układzie metal/ceramika jako klucz do kreacji technologii 2. Termowizja 3 Tomografia komputerowa 3. -9- Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 10 000 p.n .e 5000 p. n.e Zł oto 0 1000 1500 1800 Miedź 1940 1950 Polimery Elastomery Stale stopo we Skóry Kleje Gu ma Polimer y wysokotemper atur owe N adstopy Stopy Ti, Zr, itp. Kamień Bakelit Wyr oby garncarskie Nylon Szkł o PE Cement 10 000 p.n .e 5000 p. n.e 0 Poliestr y wysokowytr zymałe O osno wie cer amicznej O osnowie Poli estry metalicznej Epo ksyd y Kompozyty Kevlar – FRP Akr yliki PMM A C FRP PC PS PP GFRP Materiał y o gniotr wałe Cemen t SiO2 Szkl ana portlandzki topi ona Cermetal e cer amika 1000 1500 1800 1900 1940 1950 Cerami ka inżynierska (Al2O 3, Si 3N4 i tp.) 1980 1990 Ceramika Szkło 2000 2010 Lata 1) 2020 Polimery P li Elastomery Papier Kr zemień 2010 Powoln y r ozwój ozwój, głównie kontrol a jakości i p rocesów technologicznych Stopy lekki e Kompozyty Ceramika Szkło 2000 Sz kł a metaliczne Stopy Al -Li 1) Stałe D-P Stale mi kr osto powe N owe nadstopy N ano materi ały Stale Dr ewno Cegła z e sł omą 1990 Metale Żeliwo Włókna natur alne 1980 Metale Br ązy Żel azo Względne znacze enie po oszczególn nych grup m materiałów 1900 Stale dw ois to – fazowe (duplex) Rozwój materiałów inżynierskich na przestrzeni wieków (na podstawie M.A. Ashby’ego, 1998; aktualizacja 2011) - 10 - 2020 Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 K Kompozyty t (mon amour) Struktura kompozytu w ujęciu systemowym Zbrojone cząsteczkami (dyspersyjnie, w tym nanokompozyty) Zbrojone włóknami długimi (ciągłymi) Zbrojone włóknami krótkimi (ciętymi, wiskerami) Zbrojone hybrydowo - 11 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 O Osnowy kompozytów k tó – stopy t monolityczne lit Podstawy syntezy stopów Struktura jako system w syntezie stopów – B.B. Gulajew ok. 1980 1991 - 12 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Wybór osnowy: układ okresowy pierwiastków, analiza fizykochemiczna w oparciu o WRF, metody planowania eksperymentu, modelowanie… - 13 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Wybór osnowy (układ okresowy pierwiastków w wariancie fizykochemicznym) - 14 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Wybór osnowy (układ okresowy pierwiastków) Zależność ilości elektronów walencyjnych od liczby atomowej pierwiastków w ujęciu klasycznym, strefowym (u góry) i jako wykres przestrzenny (u dołu) - 15 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Wybór osnowy (kryteria WRF) Poglądowe wykresy różnych wariantów układów fazowych pomocne w określaniu kryteriów WRF. Zakreślono obszary, w których umacniająca obróbka cieplne jest najbardziej efektywna. Przykładowe kryteria: rozpuszczalności, połączeń, rozkładu, obróbki cieplnej, temperatury, lejności, porowatości skurczowej, pęknięć na gorąco - 16 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Wybrane zależności właściwości stopów podwójnych (na granicy rozpuszczalności) od kryteriów WRF: 3 < 2 < 1; 2 < 1; H1 < H2 – kryterium rozkładu – kryterium porowatości H – entalpia tworzenia tlenków - 17 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Postać ogólna wykresu klasyfikacyjnego stopów aluminium z podziałem na dodatki stopowe podstawowe, pomocnicze, domieszki obojętne i szkodliwe - 18 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Kompo t Kompozyty jako najbardziej kreatywny rodzaj materiału – „mówisz – masz” Projektowanie kompozytów PROJEKTOWANIE KOMPOZYTU W ytrzymałość KOMPOZYTY Mg włókna lub cząstki tlenku aluminium włókna lub cząstki azotku boru włókna SAFFIL zakres górny udział objętościowy Współczynn nik rozszerzalno ości cieplnej (1 10-6/K) Wytrzyma ałość na rozciąga anie f (MPa) wartość wskaźnika f2/3 / 2/3 3 (MPa .m /Mg) zakres dolnyy /=C R ozszerzalność/Przew odność cieplna linia odniesienia Stopy magnezu AZ 63 BN SiC stopy aluminium diament Gęstość (Mg/m3) Przewodność cieplna (W/mK) Wykres klasyfikacyjny dla lekkich i wytrzymałych kompozytów na bazie stopów aluminium Wykres klasyfikacyjny - dla kompozytów magnezowych o wysokiej odporności na odkształcenia cieplne1991 - 19 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Odl Odlewane kompozyty k t dyspersyjne d j typu t DURALCAN Granica plastyczności Wytrzymałość na rozciąganie Moduł Younga 400 350 A356 – 10% SiC A356 – 15% SiC A356 – 20% SiC +10% +41% +20% +7% +62% +28% Granica plastyczności, MPa A356 – 0% SiC +19% 10% SiC 15% SiC 20% SiC 250 200 150 100 50 +28% +66% 0% SiC 300 0 500 400 300 200 100 MPa 0 25 50 75 100 22 125 150 200 260 320 Temperatura C Temperatura, C GPa Właściwości wytrzymałościowe w zależności od temperatury Właściwości wytrzymałościowe 0.20 Ubyttek objętości, mm3, bada nia wg ASTM G-77 Materiał przeciwpróbki stal 4140 (HRC=50÷60), smarowane olejem silnikowym 10W40; obciążenie 667 N N, obroty 36 obr/min, czas próby 2 h 0.15 Właściwości termofizyczne: 0.10 - CTE - przewodnictwo cieplne 0.05 0 A356 – T6 F3D.20S – F F3D.20S – T5 Żeliwo szare M t i ł Materiał Odporność na szoki cieplne Odporność na zużycie - 20 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 K Kompozyty t (mon amour) 1965 – pierwsze wykonanie przez P. Rohatgi’ego aluminiowych odlewów kompozytowych, zawierających cząsteczki grafitu (prace prowadzone w International Nickel Co., USA) 22006 San Antonio - 21 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 TŁOKI Tłoki kompozytowe do silnika 350-hp samochodu Chevrolet, wykonane z kompozytu A332/20% obj. SiC. Odlew kokilowy Pierwsze kompozytowe tłoki aluminiowe z rodziny CA90 zbrojone dyspersyjnie SiC (AlSi12CuMgNi/20% obj. SiC), otrzymane w 1994 roku w Instytucie Odlewnictwa Pierwszy tłok kompozytowy firmy TOYOTA Kompozytowy tłok typu IVECO (KOLBENSCHMIDT) Kompozytowy tłok typu PERKINS S (KOLBENSCHMIDT) - 22 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Tłoki kompozytowe – Instytut Odlewnictwa Tłok kompozytowy z rodziny 4CA90 zbrojony lokalnie w obszarze rowków podpierścieniowych (a) i w obszarze całego denka (b) (po wstępnej obróbce skrawaniem) - 23 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Tł ki kompozytowe Tłoki k t – struktura t kt - 24 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 BLOKI SILNIKÓW Ó Blok silnika z kompozytowymi tulejami cylindrowymi na bazie stopów aluminium (firma PORSCHE) Aluminiowe kompozytowe tuleje cylindrowe samochodu PORSCHE - 25 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Umieszczanie podgrzanych preform we wnękach dolnej połowy formy do prasowania w stanie ciekłym Preformy ceramiczne Usuwanie gotowego odlewu bloku silnika ze zbrojoną gładzią g ą cylindrową y ą z formyy do prasowania w stanie ciekłym - 26 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Przykład ilustrujący zalety zastosowania kompozytu w tulejach cylindrowych ((znaczna redukcja j masy y wskutek zmniejszenia odległości pomiędzy tulejami cylindrycznymi) - 27 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Nowoczesne kompozytowe tarcze i bębny hamulcowe Bęben koła tylnego – VW LUPO Tarcza koła przedniego – CHRYSLER PROWLER Tarcza koła przedniego – FORD TAURUS Tarcza samochodu wyścigowego – Formuła 1 - 28 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Kompozytowe p y tarcze hamulcowe wytworzone w Instytucie Odlewnictwa - 29 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Kompozyty Al-grafit – Instytut Odlewnictwa Tłok i tuleja cylindrowa ze stopu AlSi9Mg, zawierającego 7% obj. grafitu Monolityczne – na bazie stopu stop Al-Sn Al Sn (po lewej) i zbrojone dyspersyjnie – Al-Sn/5.7% wag. grafitu (po prawej) prototypowe łożysko ślizgowe do wału głównego samochodu FIAT-bis - 30 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Odlewanie odśrodkowe (Al-Gr) jako sposób wytwarzania struktur funkcjonalnie gradialnych ((Instytut y Odlewnictwa)) Kompozytowy odlew odśrodkowy na bazie układu AlSi7Mg/5.7% obj. grafitu (Instytut Odlewnictwa) - 31 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Odlewanie odśrodkowe (Al-Gr) Instytut Odlewnictwa i Instytut Transportu Samochodowego - 32 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Odl Odlewanie i odśrodkowe dś dk (Cu-Gr) (C G ) Mikrostruktury różnych części odlewu kompozytowego CuSn8Zn4/7.5% obj. grafitu otrzymanego odlewaniem dl i grawitacyjnym it j ((a)) i odśrodkowo dś dk (b c)) (b, ALTERNATYWA DLA BEZOŁOWIOWYCH STOPÓW MIEDZI - 33 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Kompozyty ALFA® Stopy aluminium zbrojone uszlachetnionym popiołem lotnym (AL – aluminium + FA – fly ash – nazwa autorska Jerzy J. Sobczak, Pittsburgh, Pensylvania 2000) Pensylvania, 0.2mm 0.1mm 0.2mm Cząsteczki zwarte d = 1.6 1.6--2.3 g/cm3 Cenosfery d = 0.40.4-0.6 g/cm3 Skład chemiczny (% wag.): 30 30-70 70 SiO2, 15 15-30 30 Al2O3, 10 10-20 20 Fe2O3, 1 1-5 5 CaO, 1 1-5 5 K2O, 0-2 0 2 MgO, 0 0-2 2 Na2O, 0-2 TiO2, 0-2 SO3. Mineralogicznie popiół lotny składa się ze szkieł glino-krzemianowych, zawierających kwarc, mulit, hematyt, magnetyt, ferryt, spinele, bezwodniki i tlenek glinu - 34 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Kompozyty ALFA® Stopy aluminium zbrojone uszlachetnionym popiołem lotnym mechaniczne stopowanie p – mechanical alloying y g 1 cm 1 cm Proszek aluminiowy P iół lotny Popiół l t Aglomerat kompozytowy 1 cm - 35 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Wysokoenergetyczny młyn kulowy (Instytut Odlewnictwa) - 36 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Ramię robocze Komora robocza z kulami Charakterystyka techniczna młyna wysokoobrotowego Pojemność komory – 5 dm3 Atmosfera ochronna – argon Średnica kul – 12 mm Prędkość obrotowa – 80 obr./min Częstotliwość wibracji – 14 ±1 Hz Amplituda wibracji – 7.5 mm - 37 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Morfologia aglomeratów kompozytu ALFA25 (Al/25% wag wag. FA) - 38 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Morfologia g aglomeratów g kompozytu p y ALFA25 - 39 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Mikrostruktura czystego aluminium (a) i kompozytu ALFA25 (b) po MA - 40 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 a b Przełom osnowy (a) i kompozytu ALFA25 (b) (SEM) po wyciskaniu - 41 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Właściwości mechaniczne kompozytów ALFA25 po MA i wyciskaniu - 42 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Kompozyty ALFA – piany syntaktyczne Mikrostruktura syntaktycznej piany aluminiowej AlSi12CuNiMg/50% obj. cenosfery z popiołów lotnych otrzymanej infiltracją ciśnieniową (squeeze infiltration) pod ciśnieniem 120 MPa (gęstość 1.00–1.88 g/cm3) - 43 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Kolejne etapy infiltracji próżniowej jako metody wytwarzania piany syntaktycznej z wykorzystaniem luźnego złoża cenosfer (Energy Industries of Ohio, Cleveland) - 44 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Piana syntaktyczna ALFA (A356/cenosfera) o gęstości 0.44 g/cm3, 0.50 g/cm3 i 0.56 g/cm3 (kolejno od lewej do prawej) (Energy Industries of Ohio Ohio, Cleveland) - 45 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Odkryto nowe zjawisko „krzyku” metalu, które nazwano efektem SODA – specyficzne trzeszczenie kompozytu ALFA w różnych temperaturach – można usłyszeć w Internecie pod adresem: http://darlak.neostrada.pl/soda/ a b c Fale akustyczne w temperaturze niskiej – 5°C (a) (a), okołopokojowej – 25°C (b) i podwyższonej – 75°C (c) - 46 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Rozkład ilościowy zdarzeń w funkcji czasu (po 6 godzinach od wygenerowania zjawiska SODA) – – według badań A. Pawełka z IMiIM PAN w Krakowie Obrazy SEM mikrostruktury ALFA w obszarach nieciągłości strukturalnych kompozytów ALFA - 47 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Kompozyty aluminiowe zbrojone włóknem ciągłym – kompozyty MetPreg® (Al/50% obj. Al2O3) Unikatowy zestaw właściwości: Gęstość – 3.3 g/cm3 Wytrzymałość na rozciąganie – 1500 MPa Wytrzymałość y y na ściskanie – 2070 MPa Moduł Younga – 215 GPa Wydłużenie – 0.7% Współczynnik rozszerzalności cieplnej – 7 μm/m.K T Temperatura t pracy – do d 400°C - 48 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Dzisiaj i jutro. Unikatowe materiały i techniki wytwarzania Według większości źródeł literaturowych struktury o wysokim stopniu porowatości określane są mianem struktur komórkowych, komórkowych do których zalicza się: 1. 2. 3. 4 4. Piany (monolityczne, kompozytowe) Struktury typu „plaster miodu” Piany syntaktyczne Gazary Utrzymuje się pewien dyskomfort logistyczny, stąd też można zaproponować termin materiały (media) wysokoporowate. wysokoporowate Ogólna charakterystyka: Niska gęstość (szeroki zakres porowatości), niska przewodność cieplna, zdolność do tłumienia drgań, skłonność do znacznych deformacji pod wpływem niewielkich obciążeń, zdolność absorpcji energii etc…. - 49 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 W przyrodzie: Kora dębu korkowego Balsa Gąbka Kość celularna Liść irysu Rafa koralowa Kość sepii Łodyga rośliny Według F. Ashby Ashby,, 1983 Struktury komórkowe stanowią naturalny ekwiwalent konstrukcji wykonywanych „mikromontażem „mikromontażem metodą wyprowadzeń belkowych” - 50 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Dinozaur – gabaryty i masa jak 25-miejscowego samolotu Sekwoja – 100 m m, 2500 ton - 51 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Piany kompozytowe zbrojone dyspersyjnie Schemat wytwarzania piany kompozytowej układu Al – ceramika (dyspersoidy) ą mieszania – „stirring” g ((metoda wirnikowa z wibrującą ją ą głowicą) g ą) według g metodą patentu Alcan International Limited - 52 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Fotografie ilustrujące wytwarzanie piany hybrydowej A360/15SiC/5 grafit (Gr) (z kompozytu F3N.20S Duralcan™ zmieszanego z cząsteczkami poniklowanego grafitu) z wykorzystaniem instytutowego stanowiska URM-1 do rafinacji gazowo-żużlowej aluminium i jego stopów. Rozmiary komórek piany zależne są od szybkości przepływu argonu (do 22 l/min), prędkości wirowania głowicy (max. 600 obr./min) i czasu trwania procesu (15 min) Stanowisko do syntezy piany metalowej – IOd) Początkowy (góra) i końcowy (dół) etapy spieniania – IOd Zalewanie piany kompozytowej do kokili – IOd - 53 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Stwierdzono wysoką y ą stabilność p piany y kompozytowej dzięki obecności cząsteczek SiC o średnicy 20 m, których znaczna ilość ulokowana była u powierzchni ścianek komórek piany - 54 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Narodziny gazarów: 1969 – PAMUD, Dniepropetrovsk, Vlad Shapovalov • W pobliżu punktów topnienia na wielu wykresach równowagi fazowej stwierdzono występowanie przemiany, połączonej z reakcją gazu z eutektyką. Takie transformacje fazowe występowały w układach Fe-H, Ni-H, Mn-H, Cu-H, Al-H, W-H, Mo-H, Ti-H, Be-H, Cr-H oraz Fe-C-H. • W warunkach specjalnych, krystalizacja stopów może prowadzić do równoczesnego wydzielenia kryształów fazy stałej i pęcherzy gazowych (wodoru) z cieczy metalowej. Zaobserwowany typ równowagi nazwano przemianą gazowo eutektyczną. gazowo-eutektyczną. • W wyniku przemiany gazowo-eutektycznej powstaje uporządkowana struktura, którą nazwano gazarytem. Stanowi ona monolityczną, polikrystaliczną osnowę, zawierającą pęcherze gazowe, geometrycznie podobne i równomiernie rozłożone w całej objętości materiału. • Gazaryt powstaje przy szybkości krystalizacji 0.05 - 5.00 mm/s. Jego parametry strukturalne zależą głównie od zawartości wodoru i jego ciśnienia nad cieczą metalową. • Materiały ze strukturą gazarytu nazwano gazarami (gaz + ar, gdzie ar oznacza skrót od rosyjskiego słowa armirovat’, co oznacza „zbroić, umacniać”). • Gazary posiadają najwyższe właściwości mechaniczne spośród wszystkich znanych dotychczas materiałów wysokoporowatych. • Stwierdzono występowanie efektu umocnienia (zbrojenia) metalu przez pęcherze gazowe o średnicy mniejszej niż 10 μm. Jest to jedna z najbardziej fenomenalnych cech gazarów. Można więc mówić o efekcie zbrojenia metalu gazami, stąd też pewne modyfikacje gazarów z pewnością zaliczyć należy do kompozytów in vitro, vitro które w procesie ich wytwarzania drogą procesu in situ ulegają przemianie na kompozyty zbrojone quasi-dyspersyjnie lub quasi-ciągle. - 55 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 GAZARY Podstawy teorii temperatura T2=T3 2 T, K 5000 3 gaz 4000 T1 1 3000 T1 66 0 ciecz T2 ciecz + gaz 2000 1000 ciało stałe +gaz Pzew = 10 MPa zawartość wodoru Al C1 C2 C3 Wykres równowagi fazowej aluminium-wodór. Linią przerywaną pokazano linie przemiany fazowej likwidus - solidus - solvus przesunięte pod wpływem ciśnienia zewnętrznego 0 0.25 0.50 0.75 XH, % Wykres równowagi fazowej miedź-wodór pod ciśnieniem zewnętrznym 10 MPa [Zheng Y., 1994] - 56 - 1.00 Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 GAZARY Podstawy teorii T, K 1385 1375 ciecz ciecz + gaz 1365 1355 ciało stałe 1345 ciało stałe +gaz Pzew = 10 MPa 0 0.005 0.010 0.015 0.020 XH, % Wykres równowagi fazowej układu Cu-H od strony miedzi, ilustrujący wysoką asymetrię eutektyki [Zheng Y., 1994 – połączenie wyników doświadczalnych z symulacją teoretyczną] - 57 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Właściwości mechaniczne gazarów Zmiana umownej granicy plastyczności gazaru miedziowego w funkcji jego porowatości. Linią poziomą ciągłą zaznaczono poziom właściwości dla miedzi nieporowatej (60 MPa). Po prawej stronie wykresu umieszczono schematy mikrostruktury badanych gazarów Zmiana wytrzymałości na rozciąganie gazaru miedziowego g w funkcjij jjego g p porowatości. Linią ą poziomą ciągłą zaznaczono poziom właściwości dla miedzi nieporowatej (150 MPa) - 58 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Skrócenie wzg ględne, % Wytrzymałoś ść na ściskanie,, MPa Właściwości gazarów (badania własne) Porowatość, % Granica a plastyczności, MPa Porowatość, % Porowatość, % Właściwości wytrzymałościowe: y y wytrzymałość y y na ściskanie,, skrócenie względne, gę ,g granica plastyczności, gazarów aluminiowych w funkcji porowatości (średnica pęcherzy w gazarach 20–400 m) - 59 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Wydłużenie e, przewężenie, % Porowatość, % Granica pla astyczności, M MPa Granica wytrrzymałości, M MPa Właściwości gazarów (badania własne) Porowatość, % Właściwości wytrzymałościowe: wytrzymałość na rozciąganie granica plastyczności, rozciąganie, plastyczności wydłużenie i przewężenie względne, gazarów magnezowych (Mg19980) w funkcji porowatości (średnica pęcherzy w gazarach 20–600 μm) Porowatość % Porowatość, wydłużenie przewężenie - 60 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Metody wytwarzania Topienie autoklawowe z kierunkową krystalizacją (Ukraina) – gazary Schemat autoklawu wg patentu V. Shapovalova US No.5181549 (1993) i niektóre możliwe typy rozkładu pęcherzy w gazarach - 61 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Metody wytwarzania Topienie autoklawowe (Ukraina) – gazary ium agn es Co ppe r, m ob alt Iro n, c 500 Alu mi nu m Pore size (μm) 1000 el Nick 0 0 20 40 Porosity y (%) ( ) 60 Osiągalne zakresy charakterystyk strukturalnych gazarów (Valukas D.M., 1992) - 62 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Metody wytwarzania Metoda ciągłego topienia strefowego (Japonia) – „lotusy” – atmosfera argonu i azotu, czy można wyeliminować wodór?! - 63 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Metody wytwarzania Stanowiska badawcze w Naval Research Laboratory, Washington, DC, USA (po lewej) i Osaka University, Japonia (po prawej) - 64 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Metody wytwarzania Stanowisko do syntezy gazarów w Instytucie Odlewnictwa - 65 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 St kt Struktura – morfologia f l i pęcherzy h Typowe kształty porów: (a) – kuliste, (b) – stożkowe, (c) – cylindryczne, (d) – quasi-dendrytyczne, (e) – bezkształtne, (f) – arterialne (wg V.I. Shapovalova, 2007) - 66 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Struktura – gazary Mg Gęstość materiału 0.6–0.9 g/cm2 (średnica wlewka 20 mm) - 67 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 St kt Struktura gazarów ó Ni Mikrostruktura jest projektowana drogą sterowania procesami technologicznymi (zawartość wodoru, wielkość ciśnienia zewnętrznego, t temperatura, t prędkość dk ść kkrystalizacji, t li ji typ t osnowy)) – różne óż powiększenia! i k i ! - 68 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Gazary niklowe 35x 150x 35x 150x - 69 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Struktura b a c d Różnorodne struktury gazarów: miedź z długimi porami gazowymi (aktywny gaz – wodór) (a) ; stal nierdzewna z porami nierównomiernymi (aktywny gaz – azot) (b); stal nierdzewna z porami równomiernymi wzdłużnymi (aktywny gaz – azot) (c); porowaty krzem (aktywny gaz – wodór) (d) (H. Nakajima, 2005) - 70 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Wyroby i zastosowanie Program kkosmiczny P i b b. ZSRR Dysze, rozpylacze, dopalacze (rakiety „Zenith”) Filtry y Samosmarowne łożyska Materiały energochłonne M t i ł cierne Materiały i Wymienniki ciepła Katalizatory y Skraplacze Absorbenty promieniowania Atomizery gazu i cieczy Części mieszalników Tarcze hamulcowe - 71 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Wyroby i zastosowanie Zastosowanie gazarów: komora spalania rakiety z wewnętrzną ścianką z gazaru miedziowego (średnica zewnętrzna 100 mm, mm pory o wymiarach 100 µm) (a), (a) olejowy filtr wysokociśnieniowy z elementami z gazaru miedziowego (średnica zewnętrzna 200 mm, pory o wymiarach 25 µm) (b) - 72 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Wyroby i zastosowanie ZALETY WADY W zależności od parametrów procesu zbrojenia gazowego mogą być generowane różne typy struktur ze zmienną makrostrukturą i właściwościami Gazary posiadają najwyższe właściwości mechaniczne spośród wszystkich znanych dotychczas materiałów wysokoporowatych Szerokie spektrum zastosowań Duże nakłady finansowe niezbędne do rozpoczęcia produkcji Rygorystyczne przepisy b bezpieczeństwa i ń t wynikające z zastosowania wodoru i wysokiej temperatury Wysoki stopień zagrożenia wybuchem ( ł (zwłaszcza w przypadku dk pracy z wodorem – „gremuchaya smes’ ”) - 73 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 M t i ł ffunkcjonalnie Materiały k j l i gradialne di l (FGM) Ostry dziób kałamarnicy Humboldta („Czerwony Diabeł”) jest jednym z najtwardszych i najsztywniejszych materiałów organicznych, jakie zna natura. Jak połączyć bezkonfliktowo miękkie ciało z dziobem? FGM w naturze Kałamarnica Humboldta Science, 2008 - 74 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Jedno z największych wyzwań inżynierii materiałowej stanowi odtworzenie materiału biomimetycznego posiadającego tak unikatową gradialną strukturę i właściwości. To może zrewolucjonizować wiele obszarów nauki o materiałach t i ł h Dziób jjako FGM Dopa Chityna Twardość Max. Min. 100 1 L-DOPA (L-3,4dihydroksyfenyloalanina - 75 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Wykorzystanie siły Lorentza Siłę Lorentza można efektywnie wykorzystać pod następującymi warunkami: 1. Ciecz osnowy przewodzi prąd elektryczny 2 Przewodności elektryczne cieczy osnowy i fazy rozproszonej są różne 2. 3. Materiał naczynia (formy) jest przezroczysty dla pola magnetycznego i nie przewodzi prądu elektrycznego „Przezroczyste” naczynie Stanowisko w Instytucie Odlewnictwa (W. Leśniewski) - 76 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Dlaczego chcemy „sterować sterować grawitacją”? Procesowi wytwarzania kompozytów metalowych zbrojonych dyspersyjnie towarzyszą niekorzystne zjawiska związane z różnicą ą w gę gęstościach ich składników. Zjawiskom typu sedymentacji i flotacji nie można zapobiec tradycyjnymi metodami. Do D kontroli k t li zjawiska j i k segregacjiji ffaz o różnych óż h gęstościach t ś i h w trakcie krzepnięcia materiałów metalowych potrzebne są specjalne sposoby oddziaływania oddziaływania. Dla specjalnych zastosowań grawitacja musi być „stymulowana” lub „ograniczana” (np. dla FGM) Wykorzystanie siły Lorentza jest jednym z najbardziej obiecujących, prostych, skutecznych i ekonomicznie racjonalnych sposobów kontroli niepożądanych zjawisk, związanych z istnieniem sił grawitacji - 77 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Dlaczego chcemy „sterować grawitacją”? Flotacja cząsteczek grafitu w kompozycie AlSi12CuNiMg/5.7% wag. GR ( (NOVAMET) ) Sedymentacja cząsteczek SiC w kompozycie 356/20% obj. SiC (DURALCAN) - 78 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Możliwe M li kkonfiguracje fi j pól: ól magnetycznego t i elektrycznego, l kt generujące odpowiednie zjawiska grawitacyjne fL fL B B B j j j g g g Pozorna antygrawitacja ( ujemna”)) („ujemna Pozorna mikrograwitacja ( zerowa”) („zerowa”) mp dv p fL Pozorna supergrawitacja ( dodatnia”) („dodatnia”) FbG FpG FbL FpL Fs dt ( p )V p g ( p )V p L 6rp v p - 79 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Parametry Cząsteczki siarki w wodnym roztworze AgNO3 Gęstość prądu j = 1500 A/m2 B = 0.3 T LF – skierowana ku górze dcząsteczek = dcieczy Sterowanie ruchem cząsteczek - 80 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Odl Odlewanie i w warunkach k h „kontrolowanej k t l j grawitacji” it ji” Nowa metoda odlewania polegająca na grze pól: grawitacyjnego, magnetycznego i elektrycznego, pozwalająca na swoistą kreację warunków „kontrolowanej grawitacji” Ciecz modelowa – grawitacja „ujemna” - 81 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Ciecz modelowa – grawitacja „dodatnia” - 82 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Ciekły metal – grawitacja „ujemna” - 83 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Ciekły metal – grawitacja „dodatnia” - 84 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Wpływ siły Lorentza na rozkład cząsteczek i pęcherzy gazowych we wlewku kompozytowym (F3S.10S) 0A 120 A - 85 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Siła Lorentza w ciekło-fazowych procesach wytwarzania MMCs Przykład ekstrakcji wtrąceń gazowych (i stałych również) w stopach i kompozytach Parametery Wysoka gęstość prądu j = 580 kA/m kA/ 2 B = 0.3 T LF – 7 razy ra większa ięks a niż siła grawitacji, skierowana w dół (supergrawitacja) - 86 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Zastosowanie siły Lorentza w procesach ciekłofazowych MMCs Krzepnięcie stopu Al22Si3.9Ti0.78B (% wag.) Separacja p j elektromagnetyczna g y Potrójna faza międzymetaliczna Al-Si-Ti Kryształy krzemu pierwotnego Eutektyka Al-Si Song C., Xu Z., Liu X., Liang G., Li J., Mater. Sci. Eng., 2005 - 87 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Nanomateriały i nanotechnologie Nanoświat w odlewnictwie (nanokompozyty – nanozbrojenie, nanomodyfikatory) nanopokrycia nanokoloidy) nanopokrycia, - 88 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Nanomateriały i nanotechnologie – zjawisko liquofobowości - 89 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Procesy odlewania z krystalizacją pod ciśnieniem Odlewanie grawitacyjne krzep, Odlewanie niskociśnieniowe s 80 1 4 3 1 3 60 Odlewanie niskociśnieniowe z przeciwciśnieniem 4 Odlewanie autoklawowe 4 3 2 1 40 Prasowanie w stanie ciekłym 2 2 3 3 2 7 8 7 5 20 5 5 Atermiczne przechłodzenie Barokrystalizacja Kreacja struktur amorficznych Drastyczne zmiany warunków równowagi fazowej 5 6 7 0 0.1 1.0 10 100 Czas krzepnięcia = zero (sic!) 1000 10000 p, MPa Zależność czasu krzepnięcia odlewu osiowo-symetrycznego od wielkości ciśnienia i różnych sposobów odlewania dla szeregu metali i stopów na bazie Al, Cu i Fe - 90 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Uwarunkowania powodzenia badań w zakresie specjalnych sposobów odlewania z zastosowaniem ciśnienia zewnętrznego 1. Istniejący aparat matematyczny – wpływ ciśnienia na parametry krystalizacji: – – – – – – – – Potencjał termodynamiczny Energia aktywacji Napięcie powierzchniowe Objętość właściwa Temperatura krystalizacji Współczynnik dyfuzji Promień zarodka Przechłodzenie 2. Możliwość zastosowania stopów nieodlewniczych i „nietechnologicznych”, w tym stopów do przeróbki plastycznej i zawiesin metalowych (konwersja materiałowa) 3. Możliwość prowadzenia infiltracji ciśnieniowej 4. Adaptacja stanu ciekło-stałego do wytwarzania wyrobów near net shape 5. Wysoki poziom właściwości mechanicznych 1992 Rm = 520 MPa, MPa 165 HB, HB A5 = 4.5%, 4 5% KC = 20.3 20 3 J/cm2 (PA9 = AlZn6Mg2Cu) (Jerzy J. J Sobczak) 2012–2013 ??? (Tomasz Reguła, Paweł Darłak & Piotr Długosz) - 91 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Zmianyy WRF układu Al-Si p pod wpływem ciśnienia zewnętrznego. Obliczenia przeprowadzono wykorzystując równanie Clausiusa-Clapeyrona, model Bricha-Murnghama Bricha Murnghama oraz program ThermoCalc. (G. Garzel – IMiIM) (wg J.J. Sobczak, L. Drenchev, Scripta Materialia, 2011) - 92 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 P óż i Próżniowe i ciśnieniowe iś i i procesy odlewania dl i - 93 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Proces NRC - 94 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Modelowanie wlewka w stanie półstałym (ciekło-stałym) - 95 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 P Proces NRC - 96 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 P Proces NRC Struktura wlewka - 97 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 P Proces NRC - 98 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 P Proces NRC - 99 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 P Proces NRC - 100 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 P Proces NRC - 101 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Squeeze casting Odlewy - 102 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Kompleksowe stanowisko do realizacji procesu squeeze casting (z opcją rheocasting), uruchomione w Instytucie Odlewnictwa - 103 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Napawanie N i 10% Ł Łączenie i dyfuzyjne 4% Mieszanie mechaniczne h i 10% Metalurgia proszków 29% Infiltracja 47% Kucie 10% Łączenie 2% Wyciskanie 28% Obróbka powierzchniowa 12% Walcowanie 12% Obróbka skrawaniem 20% Odlewanie 16% Udział Ud i ł procentowy t pierwotnych i t h (po ( llewej) j) i wtórnych tó h ((po prawej) j) procesów ó wytwórczych stosowanych przez producentów kompozytów metalowych - 104 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Jak zrobić preformy? - 105 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Preformy na bazie mulitu wykonane w Instytucie y Odlewnictwa (wstępne prace K. Piechy) - 106 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Możliwe zastosowanie preform w budowie silnika (według firmy DIDIER) - 107 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Wyroby otrzymane w Instytucie I t t i Odlewnictwa - 108 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Badania oddziaływania wzajemnego w układzie metal/ceramika jako klucz do kreacji nowych technologii Centrum Badań Wysokotemperaturowych Instytutu Odlewnictwa i li j iin situ it procesów ó odlewniczych dl i h w skali k li mikro ik – zobaczyć b ć niewidzialne… i id i l …wizualizacja Metoda kropli leżącej - 109 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Metoda kropli wiszącej - 110 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Stop p Al/powłoka p Ni/tlenek g glinu (zjawisko istotne w połączeniach typu metal/ceramika, podstawy wytwarzania kompozytów typu Al/Gr) - 111 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Tajemnice ciekłego metalu - 112 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 jutro Unikatowe materiały i techniki wytwarzania Dzisiaj i jutro. Scanning Probe Microscope NTEGRA THERMA NT- MDT Europe BV (badania do 300ºC) Mikroskop ze skanującą sondą Logo Instytutu Odlewnictwa Możliwości identyfikacji strukturalnej powierzchni do poziomu nano wraz z opcją i j iingerencjiji termodynamicznej do wysokiej temperatury (teraz „tylko” do 300ºC) - 113 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Dzisiaj i jutro. jutro Unikatowe materiały i techniki wytwarzania Metody badań nieniszczących – termowizja (identyfikacja rozkładu temperatury) Zakres pomiarowy 50–1500°C Czułość 0.0035°C Zapis 30 klatek/s - 114 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Dzisiaj i jutro. jutro Unikatowe materiały i techniki wytwarzania Metody badań nieniszczących – tomografia komputerowa Nie tylko jako metody wyjawiania wad nieciągłości, ale także sposób oceny dystrybucji fazy zbrojącej i jakości połączeń międzyfazowych Badania on-line w wysokiej temperaturze, łącznie ze stanem ciekłym (teraz „tylko” w temperaturze pokojowej ze skanowaniem w czasie) - 115 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Zagrożenia (metalurgia proszków) 1. Piec o pojemności 5,5 ton 2. Kadź 3 Dysza atomizująca 3. 4. Instalacja gazowa 5. Wieża atomizera 6. Mechanizm uszczelniający 7. Zbiornik proszku - 116 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Instalacja j HIP w Instytucie y Odlewnictwa - 117 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Instalacje przemysłowe w Europie i na świecie Produkcja – 20 000 ton rocznie - 118 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Potencjalne możliwości • Stopy na bazie Fe • Stal nierdzewna i stal duplex • Stopy Ni • Stopy Co • Stopy Cu • Superstopy • MCrAlYs - MMCs Różnorodność wedle potrzeb klienta - 119 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Hipowanie < 1100°C ≈ 100 MPa MP W ciągu kilku godzin 100% gęstość! - 120 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Wyroby Wyroby walcowe do przeróbki plastycznej o przekroju 125 x 250 mm oraz płyty - 121 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Materiały w produkcji Stal nierdzewna Stal narzędziowa Stopy Fe/Ni/Co Kształty Sferyczne z zagłębieniami Pł t Płyty Proste i skomplikowane Wymiary masa Wymiary, Wysokość do 1400 mm Średnica do 1200 Masa do 10 ton Zawór dla przemysłu petrochemicznego (1270 x 1016 x 508 mm) - 122 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Proces technologiczny 1 Proszek 1. 2. Umieszczenie proszku w formie puszkowej 3. Zastosowanie prasowania izostatycznego (HIP) 4. Wyroby gotowe - 123 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Wyroby wielkogabarytowe PM HIP’ed Shapes Wymiary: 812 x 711 mm Masa: 500 kg - 124 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Star Trek Pojutrze Świat p pierścieniowy y według g Larry’ego y g Nivena ((II klasa niewykonalności) y )–p półprzezroczysta p y kosmiczna ochrona Układu Słonecznego przed promieniowaniem i wszelkim atakiem z zewnątrz. Wytworzony i odlany ze scritcha drogą transmutacji materii - 125 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Ringworld Pierścień Nivena Średnica: 300 mln km Szerokość: 1.6 mln km Masa: 20 mas Jowisza - 126 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 - 127 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 „…Odlewnictwo Odl i t nie i jjestt wszystkim, tki ale bez odlewnictwa wszystko mogłoby być niczym…” (parafraza powiedzenia Maxa Plancka) - 128 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Podziękowania (1) Za pomoc w przeprowadzeniu Z d i doświadczeń, d ś i d ń których któ h wybrane b wyniki iki przedstawiono w danej prezentacji, inspirujące dyskusje i pomoc w przygotowaniu materiału ilustracyjnego dziękuję następującym osobom: Ludmila Boyko (PAMUD – Dnepropetrovsk), Paweł Darłak (IOd), Ludmil Drenchev ((BAN – Sofia), ) Brian Gordon ((Touchstone Research Laboratory y – Triadelphia), Wojciech Leśniewski (IOd), Wiktor Niedzicki (TVP1), Andrzej Pawełek (IMiIM PAN), Robert M. Purgert (EIO – Cleveland), Tomasz Reguła (IOd), Vlad Shapovalov (MER Corp. – Tucson), Natalia Sobczak (IOd), Jan Witkowski (IOd), a także koleżankom i kolegom z Instytutu Transportu Samochodowego, Warszawa oraz firmom: UBE – Industries, Carpenter, MetPreg, GE Measurements & Control oraz redakcji Journal of Metals (JOM) za udostępnienie materiałów promocyjnych i poglądowych poglądowych. - 129 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Podziękowania (2) - 130 - Nowoczesne tendencje w odlewnictwie w zakresie tworzyw i technologii Instytut Odlewnictwa, Kraków, 13-14 czerwca 2013 Literatura podstawowa (wybrane z udziałem autorskim) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15 15. 16. 17. 18. 19. 20. Sobczak J., Teoretyczne i praktyczne podstawy procesu prasowania w stanie ciekłym (squeeze casting) metali nieżelaznych. Prace Instytutu Odlewnictwa (Zeszyt Specjalny), 1993, Rok XLIII, Nr 41 Górny Zb., Sobczak J., Metal Matrix Composites Fabricated by the Squeeze Casting Process, Transactions of the Foundry Research Institute (Special Issue), 1995, Vol. XLV, No. 42 Sobczak J., Podstawy syntezy stopów, Wydawnictwo Instytutu Odlewnictwa, ISBN 83-905792-5-1, Kraków, 1997, 289 s. S Sobczak J., Sobczak S N., Przystaś G., G Zastosowanie materiałów odpadowych w odlewnictwie na przykładzie popiołów lotnych. S Stan aktualny i perspektywy zastosowania. Wydawnictwo Instytutu Odlewnictwa , ISBN 83-91112-3-4, Kraków, 1999, 107 s. Sobczak J., Piany metalowe monolityczne i kompozytowe oraz gazary. Kompendium wiedzy o metalowych strukturach komórkowych stosowanych w nowoczesnym projektowaniu technicznym, Wydawnictwo Instytutu Odlewnictwa - Kraków, ISBN 83-909110-9-4, 1998, 76 s. Sobczak J., Kompozyty metalowe. Wydawnictwo Instytutu Odlewnictwa i Instytutu Transportu Samochodowego, ISBN 83-913045-8-2, Kraków - Warszawa,, 2001 Wojciechowski A., Sobczak J., Kompozytowe tarcze hamulcowe pojazdów drogowych, Wydawnictwo Instytutu Transportu Samochodowego, ISBN 83-913045-6-6, Warszawa, 2001, 162 s. Rudnik D., Sobczak J., Tłoki kompozytowe do silników spalinowych, Wydawnictwo Instytutu Transportu Samochodowego, ISBN 83-913045-7-4, Warszawa, 2001, 119 s. Drenchev L., Sobczak J., A Mathematical Model of Solid Particles Behavior in Solidifying Rotating Slurry. Transactions of JWRI (Japan), 2001, Vol. 30 (Special Issue), Issue) pp. pp 437-442 437 442 Sobczak J., Drenchev L., Centrifugal Casting of Metal Matrix Composites, Journal of the Foundry Research Institute (Special Issue), 2002, Vol.4, No.1, pp. 9–23 Górny Zb., Sobczak J., Sławiński Z., Foundry Aspects and Performance Characteristics of Locally Reinforced Composite Pistons, Proceedings of the 65th World Foundry Congress, October 20-24, 2002, Gyeongju, Korea, The Korean Foundrymen‘s Society, pp. 387-400. Baliński A., Sobczak J., Nowe możliwości wykorzystania odpadowych popiołów lotnych w odlewnictwie. Odlewnictwo - Nauka i Praktyka, 2003, Nr 5, s. 8–17 Sobczak J., Wojciechowski A., Boyko L., Drenchev L., Darłak P., Dudek P., Materiały wysokoporowate, Wydawnictwo Instytutu Odlewnictwa, ISBN 83-88770-20-9, Kraków, 2005 Górny Zb., Sobczak J., Nowoczesne tworzywa odlewnicze na bazie metali nieżelaznych, ISBN 83-918918-1-X, Wydawnictwo ZA-PIS, Instytut Odlewnictwa, Kraków, 2005, wyd. I Sobczak J., J Sobczak N., N Wojciechowski A A., Pietrzak K K., Rudnik D D., Atlas struktur kompozytów metalowych, metalowych ISBN 83 83-919774-2-0 919774 2 0, Wydawnictwo Instytutu Transportu Samochodowego, Warszawa, 2005 Sobczak J., Darłak P., Synthesis of Alloys, ISBN 978-83-60965-32-0, ISBN 978-83-88770-29-6, MTI & FRI, Warsaw-Cracow, 2008 Sobczak J., Drenchev L., Functionally Graded Materials, Processing and Modeling. ISBN 978-83-60965-28-3, ISBN 978-83-88770-31-9, MTI & FRI, Warsaw-Cracow, 2008 Drenchev L., Sobczak J.J., Formation of Graded Structures and Properties in Metal Matrix Composites by use of Electromagnetic Field, ISBN 978-83-88770-55-5, 978 83 88770 55 5 IOd Krakow, K k 2010 Sobczak N., Sobczak J., Asthana R., Purgert R., The Mystery of Molten Metal, China Foundry, November 2010, pp. 425-437 (Foseco Golden Paper) Sobczak J.J., Asthana R., Coleman B., Purgert M.R., Vademecum of Cast Metal Matrix Composite Materials, Foundry Research Institute, ISBN 978-83-88770-74-6, Cracow, 2013 - 131 -