1. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ - ΤΗΓΜΕΝΑ ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΥΛΓΚΑ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ

Transcript

1 1. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ - ΤΗΓΜΕΝΑ ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΥΛΓΚΑ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ 1.1 ΦΥΣΙΚΈΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Τα μεταλλικά υλικά τα οποία χυτεύουμε ή τα λαμβάνουμε ως χυτά αντικείμενα είναι μέταλλα ή κράματα. Ένα κράμα για να υποστεί ικανοποιητική τήξη και στερεοποίηση ή γενικότερα τη διαδικασία της χύτευσης πρέπει να χαρακτηρίζεται από ειδικές ιδιότητες στην υγρή κατάσταση. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να γίνεται κατανοητή μία σειρά τεχνολογικών παραγόντων π.χ. οι φυσικές και φυσικοχημικές ιδιότητες των τηγμένων μεταλλικών υλικών,καθώς επίσης και η αντίδραση αυτών των υγρών υλικών με το άμεσο περιβάλλον, είτε πρόκειται το τοίχωμα του καλουπιού είτε η περιβάλλουσα ατμόσφαιρα. Το σημείο τήξης διαφόρων μεταλλικών υλικών δηλώνει τη θερμοκρασία εις την οποία το στερεό χάνει τη βασική του μορφή δηλ. τη στερεά και τρέπεται στην υγρή φάση (μορφή). Η πυκνότητα των μεταλλικών υλικών στη στερεά φάση μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Στο σημείο τήξης, η πυκνότητα των μεταλλικών υλικών μειώνεται 2-5 %. Τα τηγμένα μεταλλικά υλικά χαρακτηρίζονται από μία ωρισμένη τιμή του ιξώδους τους. Αυτά τα οποία έχουν μεγαλύτερο σημείο τήξης έχουν και μεγαλύτερο ιξώδες. Το Φαινόμενο της διάχυσης στην υγρή φάση των μεταλλικών υλικών εξαρτάται άμεσα από το συντελεστή διάχυσης τον οποίο εμφανίζουν τα υλικά αυτά στην υγρή φάση. Έχει υπολογισθεί ότι κατά τη διάρκεια της χύτευσης των μεταλλικών υλικών πρέπει να παρατηρείται έντονα το φαινόμενο της διάχυσης. Αυτή έχει συνήθως μήκος διάχυσης μερικά χιλιοστά. Το σημείο-βρασμού ενός μεταλλικού υλικού δεν συνδέεται άμεσα με το σημείο τήξης των υλικών αυτών. Γνωστό είναι ότι το σημείο βρασμού ενός μετάλλου είναι η θερμοκρασία εις την οποία η πίεση των ατμών του μετάλλου προσεγγίζει την ατμοσφαιρική πίεση (10 5 Ρα). Έχει παρατηρηθεί επίσης ότι μερικά μέταλλα όπως ο ψευδάργυρος και ο κασσίτερος: και το μαγνήσιο χάνονται σε 1

2 σημαντικές ποσότητες λόγω εξάχνωσης. Αυτή η -παρατήρηση οφείλεται μάλλον στο γεγονός ότι τα μέταλλα αυτά έχουν υψηλή πίεση ατμών στο σημείο τήξης. Η θερμική αγωγιμότητα των τηγμένων μεταλλικών υλικών είναι περίπου μισή από αύτη την οποία έχουν στη στέρεα όαση. Ένα χαρακτηριστικό φαινόμενο το οποίο ε/α παρατηρηθεί στα τηγμένα μεταλλικά υλικά είναι η έντονη απαγωγή της θερμότητας με μεταφορά και η μικρότερη απαγωγή της θερμότητας με αγωγή. 1.2 ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΤΗΓΜΑΤΩΝ Τα τηγμένα μεταλλικά υλικά μπορεί να περιέχουν διαφορά αέρια π.χ. υδρογόνο, άζωτο οξυγόνο κ.λ.π. Επίσης μπορεί να περιέχουν διάφορες άλλες ουσίες π.χ. οξείδια που εισήλθαν κατά τη διάρκεια της τήξης. Επιβάλλεται όμως να απομακρυνθούν αυτές οι ουσίες από τα τηγμένα μέταλλα, οπότε η απομάκρυνση αυτών των ουσιών αποτελεί μία σημαντική διαδικασία. Μη-μεταλλικές ουσίες, κυρίως οξείδια, σε τηγμένα μεταλλικά υλικά μπορούν να απομακρυνθούν από αυτά με διάφορες τεχνικές. Επειδή τα οξείδια είναι ελαφρότερα από τα μέταλλα, επιπλέουν στην επιφάνεια των οπότε μπορούν να σαρωθούν και να απομακρυνθούν από το τηγμένο μέταλλο. Ένας άλλος τρόπος καθαρισμός του τήγματος από μη-μεταλλικές ουσίες μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη κατεργασία του τήγματος με σκουριές και φλογιστά καλής ποιότητας. Το τηγμένο μέταλλο αναμιγνύεται με σκουριές και τα σωματίδια των μη-μεταλλικών ουσιών προσκολλώνται στα σωματίδια της σκουριάς και απομακρύνονται μαζί με τη σκουριά. Η πλέον αποδοτική μέθοδος απομάκρυνσης μη-μεταλλικών ουσιών από ένα τηγμένο μέταλλο είναι η ακόλουθη : φυσαλίδες αερίου μη διαλυτού, στο τήγμα διαπερνούν το τήγμα και σε αυτές προσκολλώνται τα σωματίδια των ουσιών και οδηγούνται στην επιφάνεια του τήγματος οπότε εύκολα απομακρύνονται. Μια άλλη διαδικασία καθαρισμού των τηγμένων μεταλλικών υλικών είναι η απομάκρυνση διαφόρων αερίων διαλυμένων σε αυτά. Εκτός της 2

3 περίπτωσης του διαλυμένου οξυγόνου στα τήγματα, όλα τα αλλά αέρια μπορούν να απομακρυνθούν με την εφαρμογή χαμηλής πιέσεως σε αυτά. Η διαδικασία της απομάκρυνσης οξυγόνου από τα τήγματα καλείται αποξείδωση. Η πλέον δημοφιλής τεχνική αποξείδωσης είναι ή ακόλουθη : ειδικές ουσίες προστίθενται στο τήγμα, οι οποίες αντιδρούν με το οξυγόνο. σχηματίζουν αδιάλυτες ουσίες στο τήγμα οι οποίες και τελικά απομακρύνονται. 1.3 ΚΛΙΒΑΝΟΙ ΓΙΑ ΤΗ ΤΗΞΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Οι πλέον συνηθισμένοι τύποι κλιβάνων, οι οποίοι χρησιμοποιούνται για τη τήξη των μεταλλικών υλικών, είναι οι ακόλουθοι: 1) κλίβανος με χωνευτήρι, που είναι στατικός ή στρεφόμενος. 2) κοινός κλίβανος αέρα, που είναι στατικός ή στρεφόμενος. 3) κλίβανος ηλεκτρικού τόξου: άμεσου τόξου, έμμεσου τόξου, ηλεκτρικής αντίστασης. 4) κλίβανος ανοικτής καρδιάς. 5) κλίβανος κούπολα. 6) επαγωγικός κλίβανος. 3

4 2. ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο μηχανισμός και οι διάφορες διαδικασίες της στερεοποίησης των μεταλλικών υλικών είναι αναγκαίο να είναι γνωστοί για το έλεγχο της κατασκευής χυτών μεταλλικών αντικειμένων. Επίσης αυτές οι διαδικασίες συνδέονται άμεσα με τη τεχνολογία και τη βιομηχανική παραγωγή των χυτηρίων. Η γνώση του τρόπου στερεοποίησης ενός μεταλλικού υλικού, επιτρέπει τη κατασκευή χυτών μεταλλικών αντικειμένων με επιθυμητές τεχνολογικές ιδιότητες και χωρίς σοβαρές ατέλειες. Μία από τις πλέον σημαντικές ατέλειες των χυτών μεταλλικών αντικειμένων είναι η συστολή όγκου, που διαταράσσει τη πλήρη συνέχεια του μεταλλικού αντικειμένου. Όταν ένα τηγμένο μεταλλικό υλικό αποχηθεί σε ένα καλούπι, τότε αρχίζει η διαδικασία της στερεοποίησης. Κατά την διάρκεια της στερεοποίησης, τα χυτά μεταλλικά υλικά αποκτούν συνοχή, χαρακτηριστική μορφολογία, χημική σύσταση και δομή. 2.2 ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Τα καθαρά μέταλλα τήκονται και στερεοποιούνται σε μία δεδομένη θερμοκρασία, που καλείται σημείο τήξης ή πήξης του μετάλλου. Σχήμα 2.1. Σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες του σημείου τήξης ενός μετάλλου, το μέταλλο είναι υγρό. Ενώ σε θερμοκρασίες μικρότερες του σημείου τήξης του, το μέταλλο είναι κυρίως στερεό. 4

5 Σχήμα 2.1. Καμπύλη θερμοκρασίας-χρόνου κατά τη στερεοποίηση ενός μετάλλου. Αν ληφθούν οι τιμές της θερμοκρασίας σα συνάρτηση του χρόνου, ενώ ένα μέταλλο ψύχεται και τελικά στερεοποιείται, η καμπύλη που λαμβάνεται, δίνεται στο Σχήμα 2.1. Η καμπύλη αυτή ισχύει μόνο για τη περίπτωση, όπου η ψύξη του μετάλλου πραγματοποιείται υπό συνθήκες ισορροπίας. Παρατηρώντας το τελευταίο σχήμα, μπορούν να λεχθούν τα ακόλουθα : - Το μέταλλο ψύχεται από το σημείο Α μέχρι το σημείο Β. - Από το σημείο Β μέχρι το σημείο Γ, η θερμοκρασία του μετάλλου παραμένει σταθερή. - Το υγρό μέταλλο αρχίζει να στερεοποιείται στο σημείο Β και είναι κατά ένα ποσοστό υγρό και ένα άλλο ποσοστό στερεό, μεταξύ των σημείων Β και Γ. Στο σημείο Γ, το μέταλλο έχει πλήρως στερεοποιηθεί. - Από το σημείο Γ μέχρι το σημείο Λ. το στερεό μέταλλο ψύχεται-συνεχώς και τελικά λαμβάνει τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. 5

6 - Οι κλίσεις των γραμμών ΑΒ και ΓΔ εξαρτώνται από την ειδική θερμότητα του υγρού και του στερεού μετάλλου αντίστοιχα. Αν ένα καθαρό μέταλλο ψυχθεί ταχέως ή δεν περιέχει ακαθαρσίες δηλ. είναι πολύ καθαρό, τότε η καμπύλη θερμοκρασία ψύξης του μετάλλου σα συνάρτηση του χρόνου δίνεται στο Σχήμα 2.2. Σε αυτή τη περίπτωση, η στερεοποίηση του μετάλλου δεν αρχίζει στο σημείο Β αλλά στο σημείο Β'. Τότε λέγεται ότι το μέταλλο έχει υποστεί υπόψυξη κατά μία διαφορά θερμοκρασίας ΔΤ. Εκτός από τα καθαρά μέταλλα, το φαινόμενο της υπόψυξης εμφανίζεται και σε διάφορα κράματα, όπως στο χυτοσίδηρο. Σχήμα 2.2. Καμπύλη θερμοκρασίας-χρόνου κατά τη στερεοποίηση ενός μετάλλου, που εμφανίζει υπόψυξη. 2.3 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΕΝΟΣ ΚΑΘΑΡΟΥ ΣΤΕΡΕΟΥ Έχει παρατηρηθεί πειραματικά ότι η διεπιφάνεια μεταξύ μιας στερεής φάσης και μιας υγρής φάσης είναι ουσιαστικά δύο τύπων: η μία είναι τραχεία και διαχεόμενη και συνήθως λαμβάνει χώρα στα μεταλλικά συστήματα. Η άλλη είναι επίπεδη και λεία σε ατομικό επίπεδο αναφοράς και αναφέρεται στα μη-μεταλλικά 6

7 συστήματα. Επειδή οι δύο αυτές διεπιφάνειες διαφέρουν μεταξύ των στην ατομική δομή, οι μετακινήσεις αυτών των διεπιφανειών διαφέρουν μεταξύ τους. Συνεχής ανάπτυξη Η κίνηση μιας τραχείας διεπιφάνειας στερεού - υγρού μπορεί να μελετηθεί με τον ίδιο τρόπο όπως η μετακίνηση ενός ορίου κόκκου μεγάλης γωνίας. Έχει παρατηρηθεί ότι η ελεύθερη ενέργεια ενός ατόμου που διαπερνά τη διεπιφάνεια στερεοί -υγρού θα μεταβάλλεται όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.8. Σχήμα 2.8. Μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας όταν ένα άτομο διαπερνά τη διεπιφάνεια στερεού-υγρού. Το μέγεθος της ενεργείας ενεργοποίησης ΔG δίνεται προσεγγιστικά από την ακόλουθη σχέση: ΔG = Tm L ΔTi (2.21) Όπου L η λανθάνουσα θερμότητα τήξης. ΔT i είναι η υπόψυξη της διεπιφάνειας. T m είναι η θερμοκρασία τήξης και ουσιαστικά ΔG a = ΔG είναι η απαιτούμενη ενέργεια για τη στερεοποίηση. 7

8 Ο ρυθμός στερεοποίησης τότε δίνεται από τη σχέση της ακόλουθης μορφής. ν = K i ΔT i (2.22) Όπου K i είναι η ευκινησία της διεπιφάνειας στερεού-υγρού. Θεωρητική ανάπτυξη του θέματος υποθέτει υψηλές τιμές του K i για συνήθεις ρυθμούς στερεοποίησης. Πλευρική ανάπτυξη Από τη θερμοδυναμική των μεταλλικών υλικών είναι γνωστό ότι τα μέταλλα με υψηλές τιμές εντροπίας της τήξης, προτιμούν να αναπτύσσονται σε επίπεδες και λείες επιφάνειες. Η ανάπτυξη αυτή νοείται σα μετάβαση από την υγρή φάση στη στερεά. Σε αυτή δε την περίπτωση, η διεπιφάνεια στερεού-υγρού θεωρείται ότι αναπτύσσεται πλευρικά από τα στερεοποιούμενα άτομα. Σχήμα Σχήμα Τυπική πλευρική ανάπτυξη στερεού. Αν όμως η διεπιφάνεια στερεού-υγρού περιέχει διάφορα σκαλοπάτια, τότε τα στερεοποιούμενα άτομα προσκολλώνται σε αυτά τα σκαλοπάτια. Η προσκόλληση αυτή έχει υπολογιστεί ότι δεν αυξάνει σημαντικά τη διεπιφανειακή ενέργεια των στερεών ατόμων. Σχήμα

9 Σχήμα Πλευρική ανάπτυξη στερεού με σκαλοπάτια. Τα σκαλοπάτια όμως της διεπιφάνειας θεωρούνται ότι δεν είναι θέσεις ισορροπίας οπότε η ανάπτυξη της στερεής φάσης μπορεί να αναπτυχθεί με έναν από τους ακόλουθους τρόπους: επιφανειακή πυρηνοποίηση ή κοχλιωτή ανάπτυξη. 2.4 ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΑΝΑΠΤΥΣΣΟΜΕΝΟΥ ΣΤΕΡΕΟΥ Γενικότερα οι ακόλουθες παρατηρήσεις μπορούν να λεχθούν σχετικά με την ανάπτυξη των στερεών υλικών κατά τη χύτευση αυτών. - Πάντα η ανάπτυξη συνεχίζεται από πυρήνες που έχουν ήδη σχηματισθεί. - Η ανάπτυξη ελέγχεται άμεσα από τη μεταφορά θερμότητας από τα τηγμένα μεταλλικά υλικά. - Επίσης η ανάπτυξη του στερεού συνδέεται άμεσα με την προτιμούμενη κρυσταλλογραφική διεύθυνση του κρυσταλλικού στερεού μεταλλικού υλικού. - Αν ένα μέταλλο στερεοποιηθεί ταχέως, η ανάπτυξή του ακολουθεί μια δενδριτική μορφή. Σχήμα Αν υποτεθεί ότι οι πρώτες στοιβάδες του στερεού σχηματίζονται στα τοιχώματα του καλουπιού, με ποιο τρόπο το στερεό μέτωπο μετακινείται στο υγρό υλικό. 9

10 Σχήμα Χαρακτηριστική μορφή δενδρίτη. Με την πάροδο του χρόνου η απομάκρυνση της θερμότητας αυξάνει, η θερμοκρασία του στερεού μετώπου αυξάνει και η κίνηση του μετώπου αυτού (R) επίσης αυξάνει. Για τα καθαρά μέταλλα έχει παρατηρηθεί ότι το μέτωπο του στερεού αποκτά διάφορες μορφές. Στην αρχή είναι επίπεδο, αργότερα περιέχει λόφους και κοιλάδες και η μορφολογία του στερεοποιουμένου υλικού καλείται κυτταρική. Όταν αυξηθούν ακόμη οι ταχύτητες κίνησης του στερεού μετώπου τότε αυτό αποκτά μια πολύπλοκη μορφολογία. Τότε η ανάπτυξη καλείται δενδριτική. 2.5 ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗ ΣΤΕΡΕΟΥ ΔΙΑΛΥΜΑΤΟΣ Είναι γνωστό ότι πολλά μέταλλα υφίστανται κραματοποίηση για να βελτιωθούν πολλές από τις τεχνολογικές των ιδιότητες. Οι ιδιότητες αυτές είναι οι ακόλουθοι: υψηλότερη μηχανική αντοχή, καλύτερη μηχανική αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, καλύτερη αντίσταση στην τριβή και τη διάβρωση, καλύτερη μεταλλοτεχνική συμπεριφορά κ.λ.π. Στερεό διάλυμα είναι το αποτέλεσμα της μίξης δυο μετάλλων, όπου το ένα μέταλλο διαλύεται στο κρυσταλλικό πλέγμα του άλλου και αντίστροφα. Κατά τη στερεοποίηση, τα στερεά διαλύματα εμφανίζουν διαφορική μορφή πήξης, που 10

11 υποστηρίζει την ανάπτυξη του στερεού διαλύματος με μη επίπεδη διεπιφάνεια στερεού-υγρού. Χαρακτηριστικό παράδειγμα της μορφής της καμπύλης ψύξης ενός διμερούς στερεού διαλύματος π.χ. Cu-Ni, δίνεται στο Σχήμα Σχήμα Καμπύλη ψύξης για ένα διμερές στερεό διάλυμα. Σε αυτό το σχήμα, παρατηρείται ότι από το σημείο Α μέχρι το σημείο Β, το στερεό διάλυμα βρίσκεται στην υγρή κατάσταση. Η στερεοποίηση του στερεού διαλύματος αρχίζει στο σημείο Β και τελειώνει στο σημείο Γ. Σε αντίθεση με τα καθαρά μέταλλα, η στερεοποίηση του στερεού διαλύματος λαμβάνει χώρα σε όλη την περιοχή μεταβολής της θερμοκρασίας, από T m μέχρι T f. Κάθε τυπικό διάγραμμα φάσεων ενός διμερούς στερεού διαλύματος δείχνει δύο διαφορετικές και χαρακτηριστικές φάσεις: μία φάση, που είναι υγρό διάλυμα και μια άλλη φάση που είναι στερεό διάλυμα. Σχήμα Σε αυτό το διάγραμμα, το διάλυμα πάνω από τη γραμμή Liquidus βρίσκεται στην υγρή κατάσταση και από αυτή τη γραμμή αρχίζει η στερεοποίηση του διαλύματος. Κάτω από τη γραμμή Solidus, το διάλυμα βρίσκεται στη στερεή κατάσταση και σε αυτή τη γραμμή τελειώνει η στερεοποίηση του διαλύματος. 11

12 Σχήμα Διάγραμμα φάσεων για ένα διμερές στερεό διάλυμα. 2.6 ΔΙΑΦΟΡΙΣΜΟΣ Διαφορισμός καλείται το φαινόμενο της μη ομοιογενούς χημικής σύστασης σε ένα χυτό μεταλλικό κράμα. Ο διαφορισμός διακρίνεται σε δύο τύπους: μικρομακροδιαφορισμό. Κατά το μικροδιαφορισμό, οι μεταβολές της χημικής σύστασης του χυτού κράματος εμφανίζονται σε μικροσκοπική κλίμακα και κυρίως μέσα στα όρια των κόκκων. Ο μικροδιαφορισμός μπορεί να επηρεάσει έμμεσα τις μηχανικές ιδιότητες ενός κράματος. Ο μακροδιαφορισμός αναφέρεται στη μακροσκοπική μεταβολή της χημικής σύστασης μέσα σε ένα χυτό κράμα. Υπό συνθήκες κανονικού μακροδιαφορισμού, το τελευταίο μέρος του κράματος που στερεοποιήθηκε είναι και το πλουσιότερο στη ποσότητα του κραματικού στοιχείου. Υπό συνθήκες όμως αντίστροφου μακροδιαφορισμού, το τελευταίο μέρος του κράματος που στερεοποιήθηκε περιέχει και το μικρότερο ποσοστό του κραματικού στοιχείου. 12

13 Η εμφάνιση του μικροδιαφορισμού μπορεί να μειωθεί δραστικά με θερμική κατεργασία ομογενοποίησης. Γνωστό είναι ότι το φαινόμενο της διάχυσης είναι πολύ αργή διαδικασία στη στερεή φάση οπότε και η επίδρασή του στο μακροδιαφορισμό καθίσταται μειωμένη. Τέσσερις παράγοντες ευνοούν την εμφάνιση του φαινομένου του μακροδιαφορισμού: 1) συρρίκνωση λόγω στερεοποίησης και θερμικής συστολής, 2) διαφορές στη πυκνότητα ανάμεσα στα κλαδιά των δενδριτών, 3) διαφορά στη πυκνότητα μεταξύ υγρού και στερεού υλικού και 4) επαγωγικά ρεύματα που επιταχύνονται από τη διαφορά πυκνότητας μεταξύ υγρού και στερεού υλικού. 2.7 ΕΥΤΗΚΤΙΚΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗ Κατά τη στερεοποίηση ενός διμερούς κράματος ευτηκτικής σύστασης, δύο σταθερές φάσεις σχηματίζονται από το υγρό υλικό: L α+β. Όταν η χημική σύσταση στο κύριο μέρος ενός κράματος (Χ ο ) απομακρύνεται από τη χημική σύσταση της ευτηκτικής ισορροπίας (Χ Ε ), Σχήμα 2.23, τότε η στερεοποίηση αρχίζει σε μια θερμοκρασία κοντά στη Τ 1 και εμφανίζονται δενδρίτες. Με την πάροδο του χρόνου, οι δενδρίτες αυξάνουν σε μέγεθος με αποτέλεσμα το κραματικό στοιχείο να απομακρύνεται στο υγρό υλικό μέχρι η συγκέντρωσή του φθάσει τη τιμή Χ Ε. Τότε εμφανίζεται πλήρως η ευτηκτική στερεοποίηση. Οι κορυφές των δενδριτών έχουν θερμοκρασία κοντά στη Τ 1 και το ευτηκτικό μέτωπο, πιθανόν κυτταρικής μορφολογίας, έχει θερμοκρασία κοντά στη Τ Ε. Έχει παρατηρηθεί επίσης, ότι απουσία της διάχυσης στη στερεά φάση, τα κέντρα των δενδριτών, που στερεοποιούνται κοντά στη θερμοκρασία Τ 1, περιέχουν λιγότερο κραματικό στοιχείο από τις εξωτερικές στοιβάδες, που στερεοποιούνται σταδιακά σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. 13

14 Σχήμα Στερεοποίηση ενός ευτηκτικού κράματος σε μία βάθμωση θερμοκρασίας. α) χημική σύσταση του κράματος σε συνάρτηση με το διάγραμμα φάσεων, β) σχηματική παράσταση του μετώπου στερεοποίησης και γ) μεταβολή της θερμοκρασίας κατά μήκος του μετώπου στερεοποίησης. 2.8 ΠΕΡΙΤΗΚΤΙΚΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗ Ένα τυπικό διάγραμμα φάσεων που περιέχει μια περιτηκτική αντίδραση π.χ. L+α β δίνεται στο Σχήμα Κατά τη διάρκεια της στερεοποίησης ισορροπίας, το στερεό α με χημική σύσταση a και το υγρό με χημική σύσταση c αντιδρούν στην περιτηκτική θερμοκρασία Τ ρ για να δώσουν ένα στερεό β με χημική σύσταση b. Στην πράξη όμως σπάνια αυτός ο μετασχηματισμός πραγματοποιείται πλήρως. Έστω ότι μελετάται η στερεοποίηση ενός κράματος με χημική σύσταση Χ ο με μία πεπερασμένη ταχύτητα και με όχι απότομο θερμοκρασιακό διαφορικό. Σχήμα Καθώς η θερμοκρασία μειώνεται, η πρώτη στερεή φάση που εμφανίζεται είναι η α με χημική σύσταση ΚΧ ο σε μια θερμοκρασία πλησίον της Τ 1. Η φάση α 14

15 αναπτύσσεται κατόπιν με ένα δενδριτικό τρόπο. Αν όμως η διάχυση στους δενδρίτες είναι αργή, τότε το υγρό θα προσεγγίσει το σημείο c και με την περαιτέρω ψύξη του συστήματος, αυτό αντιδρά με το α και παράγει τη φάση β. Όταν δεν εμφανίζεται έντονα το φαινόμενο της διάχυσης στο στερεό, το υγρό θα φθάσει στο σημείο e και θα στερεοποιηθεί σαν ένα β + γ ευτηκτικό στερεό. Η τελική στερεοποιημένη δομή αποτελείται από τη φάση α, με τη μορφή δενδριτών γύρω από την οποία υπάρχει η φάση β και νησίδες του ευτηκτικού στερεού β + γ. Σχήμα Στερεοποίηση ενός περιτηκτικού κράματος σε μία βάθμωση θερμοκρασίας. α) χημική σύσταση της περιτηκτικής σε συνάρτηση με το διάγραμμα φάσεων, β) σχηματική παράσταση του μετώπου στερεοποίησης και γ) μεταβολή της θερμοκρασίας κατά μήκος του μετώπου στερεοποίησης. 2.9 ΑΜΟΡΦΑ ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΥΛΙΚΚΑ Ο βασικότερος παράγοντας για τη παραγωγή μίας μεταλλικής άμορφης δηλ. μη-κρυσταλλικής φάσης είναι ο αυστηρός έλεγχος της υγρής υπόψυξης. Διάφορες τεχνικές ήδη υπάρχουν για το σχηματισμό ενός άμορφου μεταλλικού υλικού π.χ. εξάχνωση στο κενό επιφανειακή κατεργασία μεταλλικών υλικών με δέσμη λέιζερ 15

16 ή ηλεκτρονίων. Η πλέον χρησιμοποιούμενη μέθοδος, η οποία κάνει χρήση της υγρής φάσης ενός μεταλλικού υλικού, είναι αυτή η οποία κάνει χρήση της πτώσης ενός τηγμένου μεταλλικού υλικού σε ένα ταχύτατα περιστρεφόμενο μεταλλικό κύλινδρο. Η τεχνική παραγωγής μιας άμορφης μεταλλικής λωρίδας έχει ως εξής: το κράμα βρίσκεται σε ένα χωνευτήρι από χαλαζία, και τήκεται σε ένα επαγωγικό φούρνο με ελεγχόμενη ατμόσφαιρα. Πάνω από το τηγμένο μεταλλικό υλικό, υπάρχει μία μικρή αποθήκη αδρανούς αερίου. Αυτό το αέριο προσπίπτει στο τηγμένο υλικό και το ωθεί από μία οπή του χωνευτηρίου, στη περιφέρεια ενός ταχύτατα περιστρεφόμενου κυλίνδρου από χαλκό. Από τη περιφέρεια αυτού του κυλίνδρου εξέρχεται μία συνεχή και λεπτή λωρίδα στερεού άμορφου υλικού. Για να παραχθεί ένα άμορφο μεταλλικό υλικό, βασισμένο σε κράμα ταυ σιδήρου ο ρυθμός στερεοποίησης του υλικού αυτού πρέπει να είναι ΙΟ 6 C/sec. Αυτή η πειραματική συνθήκη έχει σαν αποτέλεσμα τη παραγωγή μίας στερεής λωρίδας πάχους 50 μm και πλάτους 20 cm. Ο δε ρυθμός παραγωγής αυτών των λωρίδων είναι m/sec. Με τη χρήση της παραπάνω τεχνικής, άμορφα μεταλλικά υλικά των ακολούθων τύπων έχουν παραχθεί: - μέταλλο + μέταλλο π.χ. Ni 60 Nb 40 - μέταλλο + μεταλλοειδές π.χ. Fe 40 Ni 40 B 20 Επειδή τα καθαρά μεταλλικά στοιχεία, για να εμφανισθούν άμορφα, απαιτούν υψηλούς ρυθμούς ψύξης και μετά εμφανίζουν μικρή θερμική σταθερότητα, η παρασκευή αυτών των υλικών παρουσιάζεται πολύ δύσκολη και μάλλον αδύνατη. Πολλές και ενδιαφέρουσες τεχνολογικές έχουν ήδη παρατηρηθεί με τη χρήση άμορφων μεταλλικών υλικών. Μία από αυτές, είναι η αντικατάσταση των κλασσικών μαγνητικών κραμάτων με άμορφα κράματα στους πυρήνες μετασχηματιστών υψηλής ενέργειας. Επειδή τα άμορφα κράματα δεν εμφανίζουν όρια κόκκων, η αντιδιαβρωτική και αντιοξειδωτική των ικανότητα είναι ιδιαίτερα 16

17 υψηλή. Ο συνδυασμός υψηλής σκληρότητας και αντίστασης στην εκτριβή, βρίσκει τα άμορφα μεταλλικά υλικά εφαρμόσιμα σε ποικίλες μηχανικές διατάξεις ΠΑΓΙΔΕΥΜΕΝΑ ΕΓΚΛΕΙΣΜΑΤΑ Όταν ένα υγρό κράμα ψύχεται, νέες φάσεις εμφανίζονται που προηγούνται της εμφάνισης του στερεού κράματος. Πολλές φορές αυτές οι φάσεις καλούνται και εγκλείσματα. Αυτά τα εγκλείσματα πολλές φορές οφείλονται μάλλον στη παρουσία αποξειδωτών ή τροποποιητών στο στερεοποιούμενο υγρό κράμα. Στη περίπτωση του χάλυβα, που περιέχει βανάδιο και άζωτο, εμφανίζεται ως έγκλεισμα το νιτρίδιο του βαναδίου V - N = VN (2.49) Το αν αυτή η νέα φάση, VΝ, θα υπάρχει στο στερεό χάλυβα εξαρτάται από τη συγκέντρωση του βαναδίου και αζώτου και ειδικά αν αυτές οι συγκεντρώσεις υπερέχουν του γινομένου της διαλυτότητας για τη δημιουργία του νιτριδίου. Λ = (% V) (% Ν) (2.50) παρόμοια εξίσωση με τη τελευταία, όπου λαμβάνονται οι ενεργότητες δύο στοιχείων, είναι και η ακόλουθη των Λ' = α ν α Ν, (2.51) ' Τα παραπάνω παραδείγματα ισχύουν για τις πειραματικές εκείνες συνθήκες όπου η δημιουργούμενη φάση ή έγκλεισμα είναι σε ισορροπία με το τηγμένο κράμα. Στη πράξη μεγαλύτερες συγκεντρώσεις των στοιχείων της νέας φάσης απαιτούνται για τη δημιουργία τους. Τώρα θα εξετασθεί το σύστημα Fe- O-Si. Σε αυτό το σύστημα δύο οξείδια σχηματίζονται. Το πρώτο από αυτά δημιουργείται σύμφωνα με την ακόλουθη εξίσωση: 17

18 Si+20 SiO 2 (2.54) Όπου η σταθερά ισορροπίας Μ δίνεται προσεγγιστικά από την ακόλουθη σχέση: Μ= (%Si) (%O) 2 (2.55) Η δυνατότητα δημιουργίας του οξειδίου του σιδήρου δίνεται από την ακόλουθη εξίσωση: Fe+O FeO (2.56) Η δημιουργία των παραπάνω δύο οξειδίων εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, οι κυριότεροι όμως είναι οι συνθήκες πυρηνοποίησης αυτών των φάσεων καθώς και η ισορροπία των εντός του τηγμένου κράματος. Τα παραπάνω παραδείγματα δίνουν την περίπτωση δημιουργίας νιτριδίων και οξειδίων. Μπορεί όμως και άλλα εγκλείσματα να παγιδευτούν σε τηγμένα κράματα π.χ. καρβίδια, βορίδια, σουλφίδια. Τέτοιας μορφής εγκλείσματα εμφανίζονται όχι μόνο στα τηγμένα κράματα αλλά επίσης κατά τη ψύξη και στερεοποίηση των τηγμένων κραμάτων, δηλαδή κατά τη δημιουργία του στερεού κράματος. 18

19 3 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΧΥΤΕΥΣΗΣ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η χύτευση των μεταλλικών υλικών είναι μία από της παλαιότερες τεχνικές της εφαρμοσμένης μεταλλογνωσίας. Ο άνθρωπος έχει αρχίσει να χυτεύει μέταλλα από το π.χ. Όμως η ικανότητα της χύτευσης χυτοσιδήρου και χάλυβα είχε παρουσιάσει σοβαρές δυσκολίες κατά τους αρχαίους χρόνους. Η πρώτη επιτυχής χύτευση χυτοσιδήρου πραγματοποιήθηκε μάλλον για πρώτη φορά στη Κίνα το 500 μ.χ. Η χύτευση είναι μία τεχνική διαδικασία, με τη οποία ένα τηγμένο μεταλλικό υλικό αποκτά ένα επιθυμητό σχήμα. Αυτό πραγματοποιείται με τη απόχυση υγρού μετάλλου, μέσα από μία οπή, στο καλούπι όπου και το μέταλλο στερεοποιείται. Κατά τη διάρκεια της στερεοποίησης του υγρού μετάλλου, αυτό αποκτά το επιθυμητό σχήμα από το προκατασκευασμένο εσωτερικό μέρος του καλουπιού. Η χύτευση των μεταλλικών υλικών πραγματοποιείται σε ειδικά εργαστήρια, τα οποία καλούνται χυτήρια. Η μελέτη της χύτευσης των μεταλλικών υλικών είναι ένας σημαντικός κλάδος της τεχνολογίας των μετάλλων αυτό γίνεται φανερό από το γεγονός ότι οι κυριότερες τεχνολογικές ιδιότητες των χυτών μεταλλικών αντικειμένων εξαρτώνται από την ικανοποιητική ή όχι κατασκευή αυτών. 3.2 ΧΥΤΕΥΣΗ ΜΕ ΑΜΜΟ Σχεδόν κάθε μέταλλο μπορεί να χυτευθεί σε ένα καλούπι από τη τηγμένη του κατάσταση. Η διαδικασία της χύτευσης απαιτεί ένα μοντέλο, το οποίο έχει το εξωτερικό σχήμα του επιθυμητού αντικειμένου, πολλές φορές τη καρδιά, η οποία έχει το εσωτερικό σχήμα του αντικειμένου και ουσιαστικά ένα καλούπι. Το καλούπι πρέπει να κατασκευάζεται από κατάλληλο υλικό (άμμο, κεραμικό...) ώστε να αντέχει στην εκλυόμενη θερμότητα από το τηγμένο μεταλλικό υλικό. 19

20 Η μέθοδος της χύτευσης με άμμο είναι από τις πλέον χρησιμοποιούμενες και απαιτεί τη χρήση "πράσινης" άμμου. Η άμμος αυτή είναι ελαφρά υγρή και περιέχει μικρές ποσότητες διαφόρων ουσιών. Το όνομα "πράσινη" άμμος αναφέρεται περισσότερο στο ποσοστό υγρασίας (αρκετό ποσοστό), το οποίο περιέχει και λιγότερο στο χρώμα της. Ένας άλλος τύπος άμμου, η οποία χρησιμοποιείται για τη χύτευση μεταλλικών υλικών, είναι αυτός της στεγνής άμμου. Στη περίπτωση αυτής της άμμου χρησιμοποιείται μία ρητίνη σα συνδετικό υλικό των κόκκων της άμμου. Μετά τη κατασκευή ενός χυτού μεταλλικού αντικειμένου με τη μέθοδο αυτή, η άμμος η οποία χρησιμοποιήθηκε μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί αφού καθαρισθεί πολύ προσεκτικά. Στη μέθοδο αυτή της χύτευσης υπάρχουν δύο φάσεις. - η κατασκευή του μοντέλου πολύ προσεκτικά, στο οποίο θα παρασκευασθεί το χυτό αντικείμενο με τη χρήση όμως εξαιρετικής ποιότητας άμμο. - η κατασκευή του καλουπιού, το οποίο περιβάλλει το μοντέλο, στο οποίο επίσης χρησιμοποιούμε άμμο και το θέτουμε σε μία κάσα. Αυτή η κάσα συνήθως αποτελείται από δύο μέρη, Σχήμα 3.1. Στο γενικό σύστημα της κάσας χύτευσης, Σχήμα 3.1, μία μεγάλη οπή συνδέει την εσωτερική κοιλότητα του καλουπιού με το έξω περιβάλλον. Αυτή η οπή χρησιμοποιείται για τη είσοδο του ρευστού μεταλλικού υλικού στο καλούπι. Υπάρχουν επίσης και άλλες οπές, οι οποίες χρησιμοποιούνται σα συμπληρωματικές οπές τροφοδοσίας με το ρευστό μεταλλικό υλικό και για την διαφυγή αερίων από το καλούπι στο έξω περιβάλλον. Τα μοντέλα, τα οποία χρησιμοποιούνται στη μέθοδο αυτή, πρέπει επίσης να έχουν προσεκτικά κατασκευασμένο σχήμα, ώστε να απομακρύνονται εύκολα από την άμμο χωρίς να καταστρέφεται το καλούπι. Επίσης τα μοντέλα πρέπει να έχουν μεγαλύτερο μέγεθος του επιθυμητού χυτού αντικειμένου για να υπάρχει χώρος όταν το μεταλλικό υλικό στερεοποιείται και συστέλλεται. Μετά την απομάκρυνση του μοντέλου, νέο καλούπι μπορεί να χρησιμοποιηθεί και τότε τηγμένο μεταλλικό υλικό χύνεται στο καλούπι. 20

21 Σχήμα 3.1. Σχηματική παράσταση του καλουπιού χύτευσης με άμμο. Πολλές φορές για τη χύτευση μη-σιδηρούχων μεταλλικών υλικών χρησιμοποιούνται μόνιμα καλούπια, τα οποία αποτελούνται από "καρδιές", Σχήμα 3.2. Η άμμος της "καρδιάς" πρέπει να είναι πολύ καθαρή, να μη περιέχει ασβέστη και να αναμειγνύεται εύκολα με διάφορα λάδια ή ρητίνες. Μετά τη κατασκευή των "καρδιών", αυτές σκληραίνονται με θέρμανση. Η άμμος των "καρδιών" για να χρησιμοποιηθεί ικανοποιητικά, πρέπει να πληρεί μερικούς όρους. - να αντέχει σε υψηλές θερμοκρασίες - μετά τη ψήξη της, πρέπει να έχει μεγάλη μηχανική αντοχή - πρέπει τα αέρια, από το στερεοποιούμενο μεταλλικό υλικό, να διαφεύγουν εύκολα από την άμμο. - πρέπει εύκολα να σπάζει, για να απομακρύνεται από τη κάσα χύτευσης και να λαμβάνεται εύκολα το τελικό χυτό μεταλλικό αντικείμενο. Σχήμα 3.2. Καλούπι χύτευσης με καρδιές. 21

22 3.3 ΧΥΤΕΥΣΗ ΥΠΟ ΠΙΕΣΗ Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται κυρίως για τα ακόλουθα μη-σιδηρούχα μεταλλικά υλικά : κράματα του ψευδαργύρου και του αλουμινίου. Η τεχνική αυτή χαρακτηρίζεται από μεγάλη ακρίβεια, έλεγχο των διαστάσεων, υψηλή παραγωγικότητα και μικρή επιφανειακή τραχύτητα των χυτών μεταλλικών αντικειμένων. Τα κυριότερα μειονεκτήματα της τεχνικής αυτής είναι τα ακόλουθα: η μη κατασκευή σιδηρούχων χυτών αντικειμένων, το υψηλό κόστος κατασκευής της μεθόδου και η παρουσία οξειδίων και πόρων στα τελικά προϊόντα. Σχήμα 3.4 Παράσταση της συσκευής της χύτευσης υπό πίεση. Η τεχνική της χύτευση, υπό πίεση μπορεί να γίνει πολύ περίπλοκη, Σχήμα 3.4. Η χρήση της όμως βασίζεται στην ακόλουθη διαδικασία : το τηγμένο μεταλλικό υλικό αποχύνεται στις κοιλότητες του καλουπιού με πίεση και χωρίς να αφήνει καμία κοιλότητα κενή. Η εφαρμοζόμενη πίεση είναι κύριος παράγοντας για τη κατασκευή με τη τεχνική αυτή διαφόρων μεταλλικών αντικειμένων, από αυτά που έχουν απλό σχήμα. Η κυρία ενεργεία, η οποία λαμβάνει χώρα κατά τη χύτευση αυτή ειναι η απόχυση μιας ορισμένης ποσότητας τηγμένου μεταλλικού υλικού σε ένα θάλαμο και η μεταφορά του ίδιου υλικού από το θάλαμο στη κοιλότητα του καλουπιού με την εφαρμογή πίεσης. 3.4 ΦΥΓΟΚΕΝΤΡΟΣ ΧΥΤΕΥΣΗ Κατά τη τεχνική της φυγόκεντρης χύτευσης, το τηγμένο μεταλλικό υλικό εισάγεται σε περιστρεφόμενα καλούπια, λόγω φυγόκεντρου δυνάμεως, και ωθείται 22

23 στα τοιχώματα των καλουπιών αυτών. Το τηγμένο μεταλλικό υλικό δέχεται και τη δύναμη- της βαρύτητας, υπό την επίδραση της οποίας, χύνεται μέσα στις διάφορες εσοχές και κοιλότητες των καλουπιών. Σχήμα 3.6 Παράσταση της συσκευής της φυγόκεντρης χύτευσης. Τα καλούπια μπορεί να περιστρέφονται γύρω από οριζόντιο ή κάθετο άξονα, Σχήμα 3.6. Το βαρύ μεταλλικό υλικό ωθείται στα τοιχώματα και τις ακραίες θέσεις του καλουπιού, ενώ οι ακαθαρσίες και τα αέρια σαν ελαφρότερα ωθούνται προς το κέντρο και έξω από τη κοιλότητα του καλουπιού. Με το τρόπο αυτό, ένα ελαφρό φινίρισμα του τελικού προϊόντος παράγει το επιθυμητό χυτό αντικείμενο. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται για τη χύτευση όλων σχεδόν των μεταλλικών υλικών με απλά καθώς και με πολύπλοκα σχήματα. Το πλείστον των μεταλλικών υλικών, το οποία παράγονται με τη τεχνική αυτή, είναι σωλήνες, κυλινδρικά και κωνικά αντικείμενα και διάφορα άλλα πολύπλοκα σχήματα χυτών αντικειμένων αυτό είναι το μεγαλύτερο πλεονέκτημα της τεχνικής αυτής. Μειονεκτήματα της τεχνικής είναι τα ακόλουθα : το κόστος κατασκευής και λειτουργίας της τεχνικής και ο μικρός ρυθμό, παραγωγικότητας χυτών προϊόντων. Οι βασικότεροι τύποι της τεχνικής της φυγόκεντρης χύτευσης είναι οι ακόλουθοι : - η πραγματική φυγόκεντρος χύτευση - η φυγοκέντριση Η πρώτη τεχνική χρησιμοποιεί ένα καλούπι για κάθε χυτό μεταλλικό 23

24 αντικείμενο. Κατά τη δεύτερη τεχνική ένα καλούπι χρησιμοποιείται για τη κατασκευή πολλών χυτών αντικειμένων. Το εσωτερικό σχήμα των χυτών αντικειμένων είναι κυλινδρικό ή κωνικό ενώ το εξωτερικό σχήμα απορεί να είναι τετράγωνο, εξάγωνο ή άλλο συμμετρικό σχήμα. Η τεχνική της φυγοκέντρισης μπορεί να δώσει μεταλλικά προϊόντα ακανόνιστου σχήματος και μεγέθους. Στη φυγόκεντρη χύτευση χρησιμοποιούνται καλούπια από μέταλλο και από άμμο. Η άμμος μπορεί να είναι πράσινη ή ξηρή και. να περιέχει διάφορες συνδετικές ουσίες. Η πράσινη άμμος χρειάζεται ειδικό συνδετικό υλικό για να αποκτήσει τη απαιτούμενη μηχανική αντοχή κρούσης. Όταν το χυτευόμενο μεταλλικό υλικό διαβρέχει την επιφάνεια της κοιλότητας του καλουπιού, τότε το καλούπι κατασκευάζεται από γραφίτη. Τα μεταλλικά καλούπια είναι.ιδανικά όταν απαιτείται η χύτευση μεταλλικών- υλικών με μεγάλο όγκο. Λυτά τα καλούπια επίσης ψύχονται γρήγορα. Φαινόμενο που έχει σαν αποτέλεσμα το μικρότερο μέγεθος των κόκκων. 3.5 ΧΥΤΑ ΚΡΑΜΑΤΑ Τώρα θα παρουσιασθεί μία περιληπτική περιγραφή των τεχνολογικών ιδιοτήτων διαφόρων χυτών μεταλλικών υλικών. Μη - σιδηρούχα χυτά κράματα Κράματα με βάση το αλουμίνιο : Τα κράματα αυτά έχουν μία ευρεία περιοχή μηχανικών ιδιοτήτων οι οποίες εξαρτώνται από τους διάφορους μηχανισμούς σκλήρυνσης καθώς και τις διάφορες μορφές θερμικής κατεργασίας. Η ρευστότητα των κραμάτων του αλουμινίου εξαρτάται από τα οξείδια αυτού καθώς επίσης και από τη ποιότητα και τη ποσότητα των κραματικών στοιχείων. Τα χυτά κράματα του αλουμινίου έχουν υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και συνήθως ικανοποιητική αντίσταση στη διάβρωση. Όμως η αντίσταση των ίδιων κραμάτων σε μερικούς οξείς ή βασικούς ηλεκτρολύτες είναι μικρή και πρόνοια πρέπει να λαμβάνεται ώστε να μην εμφανίζεται το φαινόμενο της γαλβανικής διάβρωσης. Τα ίδια κράματα 24