Zewnętrzna ingerencja w strukturę krzepnącego metalu

Zewnętrzna ingerencja w strukturę krzepnącego metalu

W. WIERZCHOWSKI, T. Grochal, K. Rabczak
INSTYTUT ODLEWNICTWA w KRAKOWIE
ZEWNĘTRZNA INGERENCJA
W STRUKTURĘ
KRZEPNĄCEGO METALU
Żeliwo o strukturze tiksotropowej – Technika
wytwarzania, struktura i potencjalne właściwości
1
Przedstawiono krótki przegląd literaturowy zagadnień
związanych z technikami Semi-Sold (SSM).
Zaprojektowano i skonstruowano urządzenie do
wytwarzania wlewków z żeliwa o globularnej- niedendrytycznej 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.
2
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 dendrytycznej krystalizacji fazy pierwotnej. Następuje fragmentaryzacja 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”.
3
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].
Pierwsza praca: badania lepkości w stanie półciekłym
(izotermiczne) i w trakcie przechodzenia od stanu ciekłego do
półciekłego, w oparciu o pomiar naprężeń ścinających
(mieszanie mechaniczne wiskozymetrem i pomiar momentu
sił ścinających). Wykazano:
• 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 0,2kPa.
4
• W określonych warunkach (temperatura początkowa,
temperatura końcowa, mieszanie izotermiczne albo
nieizotermiczne, szybkość mieszania, czas mieszania)
lepkość pozorna (ang.: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.
5
Rys. 1. Porównanie lepkości stopów w stanie semi-solid ze znanymi cieczami.
6
Obserwacje struktury wyjaśniły przyczynę tak małej lepkości
– brak dendrytów fazy pierwotnej: po mieszaniu ścinającym
stopu podeutektycznego w zakresie temperatury od powyżej
TL do TE faza ta przyjmuje postać zawiesiny sferycznych
(globularnych) ziaren 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 globularnje: odrywanie ramion
dendrytów – powstają nowe ziarna, następuje ujednorodnianie
zawartości domieszki (dojrzewanie – ripening i wzrost
równoosiowy).
Poniżej najczęściej demonstrowany rysunek poglądowy rys.2.
pokazujący ten mechanizm
7
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
8
Wyjaśnienie (def.):Tiksotropia to odwracalna, izotermiczna
przemiana żelu w zol zazwyczaj pod wpływem czynników
mechanicznych.
Stąd efektem tiksotropowym w stopach podeutektycznych
z globularną fazą pierwotną – nazwano odwracalność stanu
stałego i stanu półciekłego semi-solid, co upodabnia to
zjawisko do przemiany tiksotropowej. W stanie stałym ziarna
fazy pierwotnej rozłożone sąw 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 wyjściowej.
Stąd struktura z globularnymi wydzieleniami fazy
pierwotnej jest nazywana strukturą tiksotropową albo
czasami strukturą globularną.
9
Cechy stopów o strukturze tiksotropowej:
• Maksymalne ujednorodnienie struktury
• Zminimalizowanie skurczu odlewniczego – w perspektywie
wytwarzanie elementów na gotowo ang.: “net-shape” lub
“net-to-shape”).
• Struktura korzystna dla właściwości mechanicznych (m. in.
ciągliwość, udarność, odporność na szoki cieplne)
• Możliwość poszerzenia zakresu wykorzystania stopów
dotychczas już stosowanych np. do odlewów cienkościennych.
• Możliwość powstania nowych stopów (w połączeniu z innymi zabiegami technologicznymi, np. z obróbką cieplną
nadzwyczajne właściwości mechaniczne)
10
Proces semi-solid w praktyce technologicznej składa się z
dwóch następujących elementarnych procesów:
1.Wytwarzanie struktury tiksotropowej;
2.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,
11
•Metoda chłodzącej płyty pochyłej (SCP),
•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
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).
12
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 kształtowanie
tiksotropowe.
13
Technikę SSM zdołano wdrożyć do produkcji tylko w
przypadku stopów nisko-topliwych, przeważnie Al i Mg.
Stopy wysokotopliwe czekają na swój czas. Z powodu
wysokich temperatur procesu brak jest jeszcze opłacalnych
rozwiązań przemysłowych, w szczególności odnośnie
formowania elementów.
Wytwarzanie przemysłowe wlewków o strukturze tiksotropowej 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.
14
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
600mm i 1000mm).
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.
15
Płyta, kadź i zatyczka pokrywano roztworem wodnym BN
Układ
pomiarowy
Rys. 3. Zasada działania metody SCP
16
Dotychczasowe 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 30kG. Każda próba wykonywana była z
kąpieli metalowej około 20kg.
Obróbka SCP poprzedzana była wyznaczeniem temperatury
likwidus TL ; T i TW (wylewania)= TL+ T. W formie
temperatura TM.
17
Rys 4. Układ doświadczalny okiem kamery termowizyjnej
18
Zastosowana metoda okazała się skuteczna dla
podeutektycznego żeliwa szarego i żeliwa chromowego, w
szczególności żeliwa o zawartości około13wag%Cr.
Próby z żeliwem sferoidalnym nie były pomyślne –
problemem był czas oczekiwania na temperaturę wylewania
metalu na płytę.
Poniżej przykłady struktury żeliwa szarego opisanego w
Tablicy1 przed i po obróbce SCP (rys. 6 i 7)
Oraz przykłady struktury żeliwa chromowego opisanego w
tablicy 2 przed i po obróbce 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 dokładneij przedstawiono w
tablicy 3.
19
Tablica1
Dane dla żeliwa szarego
Próba
Zawartość
pierwiastków,
%
C
Si
Zakres temperatury:
likwidus TL; solidus TE,
C
Mn
CE,
%
01
3,15 2,07 0,47
1189 ; 1149
3,84
02
3,10 2,06 0,46
1199 ; 1147
3,79
20
Tablica2
Dane dotyczące żeliwa chromowego
Próba
Zawartość
pierwiastków,
%
C
Mn
Cr
Zakres temperatury:
likwidus TL; solidus
TE,
C
01 C
2,80 0,57 12,60
1275 ; 1216
02 C
2,70 0,53 12,70
1281 ; 1219
21
a)
c)
skala: 200 m
skala: 500 m
b)
d)
skala: 200 m
skala: 500 m
Rys. 6. Próba 01; droga przepływu 600mm; kąt pochylenia 10°
a)
c)
skala: 200 m
skala: 500 m
b)
skala: 200 m
d)
skala: 500 m
Rys. 7. Próba 02; droga przepływu 600mm; kąt pochylenia 10°
23
a) traw. LBI
[skala: 500 m]
b) traw. LBI
[skala: 500 m]
Rys. 8. Próba 01 C; droga przepływu 600mm; kąt pochylenia 10°
24
a) traw. LBI
[skala: 500 m]
b) traw. LBI
[skala:
500 m]
Rys. 9. Próba 02 C; droga przepływu 600mm; kąt pochylenia 10°
25
Tablica 3
Morfologia grafitu
Oznaczenie
próby
01
02
Struktura grafitu
Specimen metal state
Zgodnie z: PN-EN ISO 945
As-cast
Po obróbce SCP
As-cast
Po obróbce SCP
IA4 – 100%
ID6 – 30%; ID8 – 70%
IA4 – 50%; ID5 – 50%
ID5 – 40%; ID8 – 60%
26
27
Na podstawie wykonanych prób ustalono następujące
warunki brzegowe dla zbudowanego krystalizatora:
•Długość drogi przepływu strugi metalu przy kącie
pochylenia 10° nie mniejsza niż 300mm i nie większa niż
550mm
•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.
27
Wnioski:
1. 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 2kg.
2. Prace autorów dają podstawy do stworzenia modelu dla
konstruowania urządzeń o innej wielkości opartych o
metodę płyty pochyłej
28
THE END
29
Stirring modes: (a) mechanical stirring; (b) passive
stirring; (c) electromagnetic .vertical. stirring; (d) electromagnetic
.horizontal. stirring
30
Ostatnio pojawiły się nowe następujące metody
techniki Semi-Solid:
•Low Superheat Casting
•Single Slug Production Method (SSP Method)odmiana MHD
•The Continuous Rheoconversion Process (CRP) reaktor cieplny powodujący silne zarodkowani ei
wymuszoną konwekcję
•The SEED Process-nie znalazłem wyjaśnienia
•Low Superheat Pouring with a Shear Field (LSPSF)
•The Gas Bubbles Technique- odmiana metody
mieszania mechanicznego
31