1

1. Kierunki rozwoju technologii bezubytkowej 29.02.2012

Informacje:
Zaliczenie: 3 wykłady razem po 4 pytania na 1 kartce od każdego

Hasła:



Automaty komórkowe (cellular automata)



Metody badań nieniszczących



Anizotropia materiałów/wyrobów



Wzrost dendrytów

1.1. Tolerancja uszkodzeń w projektowaniu i eksploatacji wyrobów odlewanych

Klasyfikacja materiałów konstrukcyjnych (podstawowy podział):



Wiązania metaliczne



Ceramika o wiązaniu kowalencyjnym albo jonowym



Polimery (wiązania kowalencyjne i Van der Waalsa)

METALE

ŻELAZNE

STAL

STALIWO

ŻELIWO

NIEŻELAZNE

LEKKIE

ALUMINIUM

MAGNEZ

CIĘŻKIE

MIEDŹ

CYNK

CYNA

2

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 się fal dźwiękowych

Grafit – właściwości smarujące, większa odporność na zacieranie żeliw. Większa wytrzymałość zmęczeniowa żeliwa
– mikropęknięcia kończą się napotykając na grafit kulkowy (tłumienie drgań, redukcja hałasu)

K

IC

[N/m

3/2

]

ΔK

IH

[N/m

3/2

] – oba to współczynniki na odporność na pękanie

Eutektyka fosforowa – poprawia lejność

Modyfikowanie żeliw (grafit płatkowy  sferoidalny): magnez, cer

Właściwości żeliwa szarego:



Dobra lejność



Mały skurcz



Odporność na ?

Żeliwo sferoidalne:



Modyfikowanie z żeliwa szarego



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
A

5

=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:



Skład chemiczny



Materiał wsadowy (wolny węgiel)

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 deformację
Chunky
2,5 do 3 % - wzrost grafitu przy krystalizacji
Ostatni etap krystalizacji – puchnięcie, siły wewnętrzne (sztywność formy)
C

E

(równoważnik węglowy): węgiel + 1/3 krzemu

3

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

+

-

Al., C, Si, Ti, Ni, Cu, P, Co, Zr, Nb, W, Mn, Mo, Cr ,V, S, Mg, Ce, Te, B

Stale austenityczne – nie są 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 małych plasterków (40 mm średnicy, grubość do 5 mm), kokile miedziane  otrzymanie żeliwa białego
Magnez dodawany w postaci FeSiMg (Mg 6-8%)
Na 1 tonę 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:



Udział człowieka



Kontrola braków



Analiza krzywych stygnięcia

Próbnik do badania zawartości tlenu

grafityzujące

węglikotwórcze

4

3.2. Krzywa krzepnięcia

3.3. Wykorzystywanie symulacji do walidacji



Jeśli uda się w symulacji uzyskać pomiarowy czas, to potem trzeba to odnieść do pomiaru w środku.

Żeliwo sferoidalne – dyfuzja (krzepnięcie objętościowe)
Żeliwo szare – krzepnięcie warstwowe

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.

Takie same czasy krzepnięcia różny
mechanizm krystalizacji!

5

Zróżnicowanie i przenikanie się struktur.
Temp. 1550ºC – szkodliwa dla żeliwa, węgiel atomowy redukuje SiO

2

, krzem wchodzi do kąpieli, 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

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
pierwotną)rozdrobnienie 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 ultradźwiękowe pozwalają określić wadi i ich położenie w odlewie. Dross dotyczy grubych odlewów. W
cienkich ściankach dross jest oznaczony pomiędzy ziarnami.

Geometria Modelowanie

Siatkowanie

Parametry symulacyjne

Wyniki

Korekta

TAK

6

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:

R

m

= R

m os

+ K

1

d

α

– im większe ziarno, tym gorsze właściwości mechaniczne, uwzględnia tylko osnowę

odlewu
Ferryt (2*10

-11

% węgla)

2. Równanie Marcrotta

R

m

= R

m os

+ K

1

d

α

-0,5

+ K

2

*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

 Wirtualizacja procesu krystalizacji odlewów:

o

Wymaga złożonych modeli (sprzężenie wiodących zjawisk fizykochemicznych), z powstawaniem
warunku ich rozwiązłości i efektywności oraz praktycznej przydatności.

 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),

 Modelowanie „twarde” (hard modelling) na bazie równań różniczkowych i praw fizycznych,
 Modelowanie „miękkie” (soft modelling) – zależności empiryczne wynikające np. z analiz statystycznych,

w tym analizy wielowymiarowej oraz meto ANW (sieci neuronowe),

 Modelowanie z uwzględnieniem zjawisk na poziomie makro i mikroskopowym (dla obiektów rzeczywistych),
 Modelowanie na poziomie nano (dla obszarów wydzielonych o objętości rzędu 10

6

mm

3

),

 ………

4.3. Sprzężenia w modelu krystalizacji – zastosowanie FEM i CA

Równanie Fouriera-Kirchhoffa

4.4. Rozkład gęstości zarodków

Rys.

7

4.5. Model krystalizacji – model zarodkowania + model wzrostu

4.6. Zagadnienia modelowania multifizycznego

 Przepływ cieczy (wypełnienie),
 Proces wymiany ciepła,
 Proces krystalizacji (powstawanie struktury krystalicznej)
 Naprężenia, odkształcenia, deformacja,
 Zjawiska wywołane polem elektromagnetycznym,

4.7. Specjalizowanie multifizyczne systemy symulacyjne

(przykłady systemów do aplikacji w przemyśle – w technologiach materiałowych)

 Dla odlewnictwa

 ProCast
 MAGMASOFT
 NovaFlow&Solid
 CALCASOFT

 Dla obróbki plastycznej

 PAM-STEMP
 FORGE
 DEFORM
 MSC.MARC MENTAT

 Dla tworzyw sztucznych

 MOLDFLOW
 PAM-FORM

 Dla spawalnictwa

 SYSWELD

8

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)



Gorącokomorowe (455ºC w dół  stopy cynku w dół)

Ciśnienie może dochodzić do 100 MPa
Odlewy cienkościenne
System kolanowy – system cięgien, które w fazie zwarcia
Kolana się prostują i blokują kokilę!

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 się NaOH
Stal mogłaby się rozpuszczać powoli ~ gorącej komorze (niebezpieczeństwo)
- wprowadzenie metalu do układu wlewego
- wypełnienie wnęki formy (system próżniowy)

- okres multiplikacji ciśnienia (akumulator ciśnienia)



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



Wytworzenie wlewków o strukturze reocast (odlewanie ciągłe)



Podgrzewanie (przejście całej eutektyki w stan ciekły, sferycznych kształt fazy ciekłej, udział fazy stałej
poniżej 50%)



Przyłożone ciśnienie pozostaje upłynnienie i wypełnienie wnęki formy metalem w stanie ciekło-stałym

Wyroby:
- elementy do zamocowania podzespołów do silnika
- element tylnego zawieszenia

5.4. Krzepnięcie kierunkowe (odlewanie precyzyjne)

Łopatki turbin do silników turboodrzutowych
(superstopy na bazie niklu, kobaltu)

9

Formy ceramiczne (tak jak w wytopionych modelach) nie mają dna  jest tam ochładzalnik

Pomiar tekstury: głowica goniometryczna, figura bienowa

5.5. Nieniszczące badania materiałów

Phased array – badania ultradźwiękowe, głowica wieloelementowa, sterowanie elektroniczne
Magnez:
– sprzyja sferoidyzacji grafitu
- węglikotwórczy

Współczynnik k (segregacja)
K

O

= C

s

/C

k

Gdzie: C

s

– stężenie w stanie stałym, C

k

– stężenie w stanie ciekłym

SZYBKOŚĆ STYGNIĘCIA = GRADIENT –PRĘDKOŚĆ WYSUWANIA [K/S’]

Ultradźwięki: 4500(żeliwo) – 6000 m/s (staliwo)
Fraktografia – badania przełomu
Kruche pękanie:
K

I

= σ*(pi*a)

1/2

, gdzie K

I

to współczynnik odporności na kruche pękanie, a – głębokość szczeliny

Krytyczna wartość K

c

dla żeliw sferoidalnych mieści się w granicach 563-940N.mm

3/2

Normalne badanie UT
PNEN 12680-3