1 W. WIERZCHOWSKI, T. Grochal, K. RabczakINSTYTUT 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 nadeutMetoda 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 SCPUkład 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 szaregoPróba 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 chromowegoPróba 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 grafituOznaczenie 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.