1. Kierunki rozwoju technologii bezubytkowej 29.02.2012
Informacje:
Zaliczenie: 3 wykłady razem po 4 pytania na 1 kartce od każdego
Hasła:
¾ð Automaty komórkowe (cellular automata)
¾ð Metody badaÅ„ nieniszczÄ…cych
¾ð Anizotropia materiałów/wyrobów
¾ð Wzrost dendrytów
1.1. Tolerancja uszkodzeń w projektowaniu i eksploatacji wyrobów odlewanych
Klasyfikacja materiałów konstrukcyjnych (podstawowy podział):
¾ð WiÄ…zania metaliczne
¾ð Ceramika o wiÄ…zaniu kowalencyjnym albo jonowym
¾ð Polimery (wiÄ…zania kowalencyjne i Van der Waalsa)
METALE
ŻELAZNE NIEŻELAZNE
STAL STALIWO ŻELIWO LEKKIE CI
ŻKIE
ALUMINIUM MAGNEZ MIEDy
CYNK CYNA
1
2. Kierunki rozwoju technologii bezubytkowej 05.03.2012
Walenty Jasiński  Wykłady z materiałoznawstwa
www.zmio.zat.edu.pl/Tworzywa_metaliczne/03 - Odlewnicze stopy Fe
2.1. Pojęcia
Konwersja materiałowa  poszukiwanie zastępczych materiałów
Żeliwo ADI  struktura  grafit kulkowy, osnowa bainityczna (po obróbce cieplnej), austenit szczątkowy przyczyną
utrudnienia rozchodzenia siÄ™ fal dz
więkowych
Grafit  właściwości smarujące, większa odporność na zacieranie żeliw. Większa wytrzymałość zmęczeniowa żeliwa
 mikropęknięcia kończą się napotykając na grafit kulkowy (tłumienie drgań, redukcja hałasu)
KIC [N/m3/2]
"KIH [N/m3/2]  oba to współczynniki na odporność na pękanie
Eutektyka fosforowa  poprawia lejność
Modyfikowanie żeliw (grafit pÅ‚atkowy Ä…ð sferoidalny): magnez, cer
Właściwości żeliwa szarego:
¾ð Dobra lejność
¾ð MaÅ‚y skurcz
¾ð Odporność na ?
Żeliwo sferoidalne:
¾ð Modyfikowanie z żeliwa szarego
¾ð Sferoidyzacja (Mg, Ce)
Siarka utrudnia pozbycie się zanieczyszczeń (drobnodyspersyjne wydzielenia tlenków siarki
DROSS
ADI: Rm 800 do 1400 Mpa Sfero: Rm 700 do 900 MPa
A5=8,1%
Żeliwo ADI  grube odlewy trudne do otrzymania, różne struktury na zewnątrz i w środku
ATAS
Przegrzane żeliwo  niszczenie zarodków grafitu
Stabilność procesu i składu
Czynniki wpływające na jakość:
¾ð SkÅ‚ad chemiczny
¾ð MateriaÅ‚ wsadowy (wolny wÄ™giel)
Grafit kulkowy tworzy szczelną strukturę dendrytów austenitu
Prawo Ficka: przepływ = różnica gradientów/opór przepływu
Grafity:
Spicky
Exploted all 3: nieszczelność otoczenia austenitycznego powoduje kontakt z cieczą i wzrost sferoidalnych ziaren
grafitu i ich deformacjÄ™
Chunky
2,5 do 3 % - wzrost grafitu przy krystalizacji
Ostatni etap krystalizacji  puchnięcie, siły wewnętrzne (sztywność formy)
CE (równoważnik węglowy): węgiel + 1/3 krzemu
2
3. Kierunki rozwoju technologii bezubytkowej 13.03.2012
3.1. Pojęcia
Konwersja materiałowa  poszukiwanie nowych materiałów zastępczych.
Współczynniki bezpieczeństwa zależne od eksploatacji, obszaru zastosowań.
ZABIELENIE ZWROTNE SIARKI 0,02% w składzie żeliwa do sferoidazji
PIERWIASTKI
grafityzujące węglikotwórcze
+ -
Al., C, Si, Ti, Ni, Cu, P, Co, Zr, Nb, W, Mn, Mo, Cr ,V, S, Mg, Ce, Te, B
Stale austenityczne  nie sÄ… ferromagnetykami, nie koroduje.
Mg i Ce  sferoidyzacja grafitu
Dla żeliw zawartość chromu do 0,2%.
Metoda oznaczania składu chemicznego  metoda spektralna
Ziarenkowanie (oznaczanie zasadowości, kwasowości)
Wyiskrzenie, pojemnik z argonem, badanie widma
Odlewanie maÅ‚ych plasterków (40 mm Å›rednicy, grubość do 5 mm), kokile miedziane Ä…ð otrzymanie żeliwa biaÅ‚ego
Magnez dodawany w postaci FeSiMg (Mg 6-8%)
Na 1 tonÄ™ wsadu: 13-14 kg
W żeliwie: 0,01%S, 40-60 ppm
Zbyt duża zawartość magnezu (ma właściwości silnie węglikotwórcze) niestabilność i powstawanie porowatości
skurczowych.
ATAS  sieci neuronowe, wprowadzenie informacji na temat stopu, uczenie sieci.
Odlewanie klinów: im większa wysokość zabielenia tym większa zdolność do tworzenia porowatości (brak grafitu do
kompensacji skurczu).
Postmodyfikacja  dodawanie modyfikatorów do strugi przy zalewaniu (rozpylenie pyłu)
Wpływ temperatury kadzi na stabilność procesu.
Analiza offline:
¾ð UdziaÅ‚ czÅ‚owieka
¾ð Kontrola braków
¾ð Analiza krzywych stygniÄ™cia
Próbnik do badania zawartości tlenu
3
3.2. Krzywa krzepnięcia
3.3. Wykorzystywanie symulacji do walidacji
¾ð JeÅ›li uda siÄ™ w symulacji uzyskać pomiarowy czas, to potem trzeba to odnieść do pomiaru w Å›rodku.
Żeliwo sferoidalne  dyfuzja (krzepnięcie objętościowe)
Takie same czasy krzepnięcia różny
Żeliwo szare  krzepnięcie warstwowe
mechanizm krystalizacji!
Narastanie frontu nie wiąże się z fazą zakrzepłą.
Stopy eutektyczne krzepną w objętości (żeliwo sferoidalne)
Kompensacja skurczu, górna penetracja z nadlewu do odlewu.
3.4. Zmienna struktura w głąb odlewu (ochładzalniki)
Poszukiwanie wytężenia na granicy wytrzymałości.
4
Zróżnicowanie i przenikanie się struktur.
Temp. 1550ºC  szkodliwa dla żeliwa, wÄ™giel atomowy redukuje SiO2, krzem wchodzi do kÄ…pieli, tlen ulatuje do
atmosfery.
Dyskretyzacja obszaru stało-ciekłego
Zagęszczenie obszaru obserwacji (siatki MES) w celu dokładniejszej obserwacji zmian w obszarze likwidus-solidus.
Automaty komórkowe (CA  cellular automata)
3.5. Baza danych, Dane Materiałowe - MES
Geometria Modelowanie
Siatkowanie
Parametry symulacyjne
Wyniki
TAK
Korekta
Konwersja pliku i impact do innego środowiska powoduje powstanie błędów, które często są trudne/niemożliwe do
skorygowania.
STL  siatka trójkątów
DAS  Dendrite ARM spacing  odległość między ramionami dendrytów (nacisk kładziony na strukturę
pierwotnÄ…)Ä…ðrozdrobnienie dotyczy jednego ziarna
Mikroskop skaningowy  chłodzenie ciekłym azotem
MES, MRS, MEB  metoda elementów brzegowych
Dyskretyzacja przestrzenna czasowa pozwala rozwiązywać równanie nieliniowe.
Zalewanie syfonowe najkorzystniejsze (brak turbulencji, brak erozji formy)
Warunek brzegowy (przepływ ciepła):
- temperatura (I rodzaju)
- strumień (II rodzaju)
Strefa dross  wtrącenie niemetaliczne, wypływa z grubych odlewów
Badania ultradz
więkowe pozwalają określić wadi i ich położenie w odlewie. Dross dotyczy grubych odlewów. W
cienkich ściankach dross jest oznaczony pomiędzy ziarnami.
5
4. Kierunki rozwoju technologii bezubytkowej 14.03.2012
Modelowanie i symulacja powstawania mikrostruktury odlewów ze stopów Al-Si z zastosowaniem automatów
komórkowych
Odlew z gradientem właściwości strukturalnych i mechanicznych
Formuły empiryczne:
1. Równanie Halla-Petcha:
Rm = Rm os + K1dą  im większe ziarno, tym gorsze właściwości mechaniczne, uwzględnia tylko osnowę
odlewu
Ferryt (2*10-11% węgla)
2. Równanie Marcrotta
Rm = Rm os + K1dÄ…-0,5 + K2*g(albo ro nie wiem)-0,
4.1. Wprowadzenie  właściwości mechaniczne odlewów
W zasadzie wszystkie odlewy charakteryzują się gradientem parametrów struktury na przekroju, co wiąże się
ze zróżnicowaniem ich lokalnych właściwości mechanicznych.
Dla odlewu wykonanego z określonego gatunku stopu, o znanej jakości metalurgicznej, o rozkładzie
przetrzennym tych właściwości decydują warunki krzepnięcia wynikające z konfiguracji i masywności odlewu oraz z
uwarunkowań technologii formy. A zwłaszcza ze zróżnicowania materiałów formy, np. rodzaju masy formierskiej,
obecności ochładzalników.
Rys. Grubość ścianki odlewu
1. Równanie
a. Halla Petcha
b. Badania zespołu CAD/CAE
2. Równanie zmodyfikowane przez Marcrotta
Rys. dwa rysunku
4.2. Wirtualizacja  modelowanie + symulacja
vð Wirtualizacja procesu krystalizacji odlewów:
o Wymaga złożonych modeli (sprzężenie wiodących zjawisk fizykochemicznych), z powstawaniem
warunku ich rozwiązłości i efektywności oraz praktycznej przydatności.
vð Modelowanie procesu:
o Identyfikacja mechanizmu tych zjawisk,
o Ujęcie zjawisk w postaci zapisu matematyczno-fizycznego, dopasowanego do przebiegu procesu czyli
określonych warunków geometrycznych, termofizycznych, początkowych, brzegowych,
rozwiązywalnego metodami numerycznymi (znacząco mniejsza liczba uproszczeń),
vð Modelowanie  twarde (hard modelling) na bazie równaÅ„ różniczkowych i praw fizycznych,
vð Modelowanie  miÄ™kkie (soft modelling)  zależnoÅ›ci empiryczne wynikajÄ…ce np. z analiz statystycznych,
w tym analizy wielowymiarowej oraz meto ANW (sieci neuronowe),
vð Modelowanie z uwzglÄ™dnieniem zjawisk na poziomie makro i mikroskopowym (dla obiektów rzeczywistych),
vð Modelowanie na poziomie nano (dla obszarów wydzielonych o objÄ™toÅ›ci rzÄ™du 106 mm3),
vð & & &
4.3. Sprzężenia w modelu krystalizacji  zastosowanie FEM i CA
Równanie Fouriera-Kirchhoffa
4.4. Rozkład gęstości zarodków
Rys.
6
4.5. Model krystalizacji  model zarodkowania + model wzrostu
4.6. Zagadnienia modelowania multifizycznego
vð PrzepÅ‚yw cieczy (wypeÅ‚nienie),
vð Proces wymiany ciepÅ‚a,
vð Proces krystalizacji (powstawanie struktury krystalicznej)
vð Naprężenia, odksztaÅ‚cenia, deformacja,
vð Zjawiska wywoÅ‚ane polem elektromagnetycznym,
4.7. Specjalizowanie multifizyczne systemy symulacyjne
(przykłady systemów do aplikacji w przemyśle  w technologiach materiałowych)
vð Dla odlewnictwa
Øð ProCast
Øð MAGMASOFT
Øð NovaFlow&Solid
Øð CALCASOFT
vð Dla obróbki plastycznej
Øð PAM-STEMP
Øð FORGE
Øð DEFORM
Øð MSC.MARC MENTAT
vð Dla tworzyw sztucznych
Øð MOLDFLOW
Øð PAM-FORM
vð Dla spawalnictwa
Øð SYSWELD
7
5. Kierunki rozwoju technologii bezubytkowej 21.03.2012
5.1. Specjalne metody odlewania:
- odlewanie ciśnieniowe
Żywica furanowa (alkohol furylany) do mas formierskich
Bentonit (8-12% w masie)  dodatek do masy formierskiej (piasek)
Żywica (1% w masie)  dodatek do masy formierskiej (piasek)
Żywica  właściwość drugorzędna wyższe w porównaniu z formami wilgotnymi. Gdy zawartość alkoholu furylowego
spada trzeba dodać więcej żywicy, żeby uzyskać takie same właściwości.
5.2. Odlewanie ciśnieniowe (stopy nieżalazne)
¾ð GorÄ…cokomorowe (455ºC w dół Ä…ð stopy cynku w dół)
Ciśnienie może dochodzić do 100 MPa
Odlewy cienkościenne
System kolanowy  system cięgien, które w fazie zwarcia
Kolana siÄ™ prostujÄ… i blokujÄ… kokilÄ™!
8%-12% dodaje się bentonitu do materiału ziarnistego suchego (płukanego)
1% żywicy do masy
Tłok, cylinder  stale do pracy na gorąco nie wytrzymały przy aluminium (za
wysokie temperatury)
Dla stali  solidus 1450ºC
Niskostopowej
Chińskie pismo  wtrącenia żelaza w stopach aluminium
Stopy aluminium traci siÄ™ NaOH
Stal mogłaby się rozpuszczać powoli ~ gorącej komorze (niebezpieczeństwo)
- wprowadzenie metalu do układu wlewego
- wypełnienie wnęki formy (system próżniowy)
- okres multiplikacji ciśnienia (akumulator ciśnienia)
¾ð Zimnokomorowe
5.3. Odlewanie tiksotropowe (w stanie stało-ciekłym)
Squeeze casting  lokalnie, nie w całej objętości
Lokalny squeeze casting, zasilenie węzła cieplnego ważny jest odpowiedni moment wykonania prasowania
¾ð Wytworzenie wlewków o strukturze reocast (odlewanie ciÄ…gÅ‚e)
¾ð Podgrzewanie (przejÅ›cie caÅ‚ej eutektyki w stan ciekÅ‚y, sferycznych ksztaÅ‚t fazy ciekÅ‚ej, udziaÅ‚ fazy staÅ‚ej
poniżej 50%)
¾ð PrzyÅ‚ożone ciÅ›nienie pozostaje upÅ‚ynnienie i wypeÅ‚nienie wnÄ™ki formy metalem w stanie ciekÅ‚o-staÅ‚ym
Wyroby:
- elementy do zamocowania podzespołów do silnika
- element tylnego zawieszenia
5.4. Krzepnięcie kierunkowe (odlewanie precyzyjne)
A
opatki turbin do silników turboodrzutowych
(superstopy na bazie niklu, kobaltu)
8
Formy ceramiczne (tak jak w wytopionych modelach) nie majÄ… dna Ä…ð jest tam ochÅ‚adzalnik
Pomiar tekstury: głowica goniometryczna, figura bienowa
5.5. Nieniszczące badania materiałów
Phased array  badania ultradz
więkowe, głowica wieloelementowa, sterowanie elektroniczne
Magnez:
 sprzyja sferoidyzacji grafitu
- węglikotwórczy
Współczynnik k (segregacja)
KO = Cs/Ck
Gdzie: Cs  stężenie w stanie stałym, Ck  stężenie w stanie ciekłym
SZYBKOŚĆ STYGNI
CIA = GRADIENT  PR
DKOŚĆ WYSUWANIA [K/S ]
Ultradz
więki: 4500(żeliwo)  6000 m/s (staliwo)
Fraktografia  badania przełomu
Kruche pękanie:
KI = Ã*(pi*a)1/2, gdzie KI to współczynnik odpornoÅ›ci na kruche pÄ™kanie, a  gÅ‚Ä™bokość szczeliny
Krytyczna wartość Kc dla żeliw sferoidalnych mieści się w granicach 563-940N.mm3/2
Normalne badanie UT
PNEN 12680-3
9