Χύτευση. Φαινόμενα και Αρχές

Transcript

1 Χύτευση Φαινόμενα και Αρχές

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons και δημιουργήθηκε στο πλαίσιο του Έργου των Ανοικτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων από την Μονάδα Υλοποίησης του ΕΜΠ. Για υλικό που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 στερεοποίηση καθαρών μετάλλων Εικόνα 3α.1 3

4 στερεοποίηση κράματος Ni-Cu Εικόνα 3α.2 4

5 Δομές χύτευσης Εξαρτώνται από τη σύσταση του κράματος, το ρυθμό μεταφοράς θερμότητας και τη ροή του τήγματος. Επηρεάζουν καταλυτικά τις ιδιότητες του χυτού. Στερεοποίηση των καθαρών μετάλλων μικροκρυσταλλική ζώνη σε επαφή με το καλούπι και ανάπτυξη επιμήκων κόκκων κατά προτιμώμενη κατεύθυνση. Η στερεοποίηση των κραμάτων γίνεται με ανάπτυξη δενδριτών στερεά φάση με υγρή φάση ανάμεσα. Το πλάτος της ζώνης αυτής εξαρτάται από το εύρος θερμοκρασιών στερεοποίησης (TL-TS). Για χάλυβα η ζώνη είναι στενή, για Al-Mg ευρεία Αργή απόψυξη δίνει αραιούς και μεγάλους δενδρίτες Υπερ-ταχεία απόψυξη δίνει άμορφες κρυσταλλικές δομές 5

6 Δομές από χύτευση (i) καθαρού μετάλλου, (ii) στερεού κράματος, (iii) ετερογενούς πυρηνοποίησης Εικόνα 3α.3 6

7 Διευθύνσεις ανάπτυξης κόκκων σε ψυχρό τοίχωμα Εικόνα 3α.4 7

8 σχηματική στερεοποίηση κράματος Εικόνα 3α.5 8

9 στερεοποίηση φαιού χυτοσιδήρου και διαφορετικών χαλύβων Εικόνα 3α.6 9

10 Σχέση δομής και ιδιοτήτων χυτού Η σύσταση δενδριτών (S) και υγρού (L) ανάμεσα στους κλάδους τους μπορεί να βρεθεί με τον κανόνα του μοχλού από το διάγραμμα ισορροπίας φάσεων. 10

11 ΜΙΚΡΟΔΙΑΦΟΡΙΣΜΟΣ πολύ αργή απόψυξη δίνει ομοιόμορφη σύσταση δενδριτών, αλλά ποτέ, στην πράξη, δεν είναι τόσο αργή η απόψυξη έτσι η σύσταση τους διαφέρει στο κέντρο του δενδρίτη από την επιφάνεια. Η επιφάνεια του δενδρίτη είναι πλουσιότερη σε κραματικά στοιχεία. 11

12 ΜΑΚΡΟΔΙΑΦΟΡΙΣΜΟΣ Πρόκειται για ανομοιογένεια σύστασης μεταξύ διαφορετικών σημείων του χυτού. Ή υγρή φάση είναι πλουσιότερη σε κραματικά στοιχεία από τη στερεά. Για μεταφορά θερμότητας σε μια διάσταση (θεωρητικό) τα στοιχεία χαμηλότερου T m οδηγούνται προς το κέντρο κραματικά στοιχεία οδηγούνται στο κέντρο του χυτού. Σε δενδριτικές δομές, όμως, το υγρό διεισδύει στα κενά συρρίκνωσης στους κλάδους των δενδριτών. 12

13 ΔΙΑΦΟΡΙΣΜΟΣ ΒΑΡΥΤΗΤΑΣ Βαρύτερα στοιχεία βυθίζονται και ελαφρότερα ανέρχονται πχ Sb σε κράμα με Pb. 13

14 παραλλαγές στη δομή του χυτού Ισοαξονικοί δενδρίτες Αναπτύσσονται με υποβοήθηση από συναγωγή (ανάδευση τήγματος). Ισομεγέθεις κόκκοι (ισοαξονική ζώνη) Αναπτύσσονται στο εσωτερικό παχέων χυτών λόγω αργής ψύξης Μπορούν να επεκταθούν με χρήση πυρηνοποιητών (κέντρων κρυστάλλωσης) πχ AlSi. Μη δενδριτικές δομές Δημιουργούνται με θραύση των δενδριτών σε πρώιμο στάδιο πχ με μηχανική ταλάντωση (rheocasting). 14

15 δομή δενδριτική κολώνας ισοαξονική Εικόνα 3α.7 μη δενδριτική 15

16 Τυπική ορολογία καλουπιών Ι ΣΧΕΔΙΟ Κανάλι εισόδου με λεκάνη (sprue) Kύπελλο υποδοχής τήγματος (cup) Κανάλι χύτευσης (runner) Πύλη (gate) Αγωγός αερισμού (απαγωγής αερίων) (vent) Προσεπιχώνευμα / ανοιχτό ή κλειστό (open-blind riser) Τα πρώτα 4 αποτελούν το σύστημα τροφοδοσίας 16

17 Τυπική ορολογία καλουπιών ΙΙ Κοιλότητα καλουπιού (αποτύπωμα μοδέλου) (mold cavity) Πυρήνας (καρδιά) (core) Φίλτρο Διαχωριστική γραμμή (Parting line) Κάσα (flask) Άνω μισό καλουπιού (cope) Κάτω μισό καλουπιού (drag) ΣΧΕΔΙΟ 17

18 1 2 στοιχεία τυπικού καλουπιού χύτευσης σε άμμο προσεπιχώνευμα αγωγός απαγωγής λεκάνη εισόδου άνω μισό καλουπιού προσεπιχώνευμα κανάλι εισόδου κάσα άμμος κάτω μισό καλουπιού κοιλότητα - αποτύπωμα πυρήνας κανάλι χύτευσης πύλη γραμμή (επιφάνεια) διαχωρισμού Εικόνα 3α.8 18

19 Στοιχεία μηχανικής ρευστών Ι Αρχή Bernoulli h : υψομετρική διαφορά από επίπεδο αναφοράς v : ταχύτητα του ρευστού p : πίεση του ρευστού f : απώλειες ενέργειας h p g 2 v 2g const f Αρχή συνέχειας Α : διατομή Av const Από τις αρχές Βernoulli και συνέχειας προκύπτει για το κανάλι τροφοδοσίας ότι η διατομή πρέπει να μειώνεται παραβολικά από την είσοδο προς τα κάτω A1 A 2 h h

20 Στοιχεία μηχανικής ρευστών ΙΙ Τυρβώδης ροή προκαλεί παγίδευση αερίων επιφανειακούς πόρους Αντιστοιχεί σε αριθμό Reynolds > V: ταχύτητα τήγματος D: διάμετρος για κυκλικό αγωγό ρ: πυκνότητα τήγματος η: ιξώδες τήγματος Re vd 20

21 Στοιχεία μηχανικής ρευστών ΙΙΙ Λύσεις : Αποφυγή απότομων αλλαγών διεύθυνσης ροής Αποφυγή απότομων αλλαγών διατομής Μείωση της ταχύτητας του τήγματος Μείωση της διατομής (? ταχύτητα) Αύξηση του ιξώδους (? πυκνότητα) 21

22 Εύροια χυτευσιμότητα Ι Εξαρτάται από : Ιξώδες Επιφανειακή τάση πχ. στο Al αυξάνεται αυτή λόγω επιφανειακών οξειδίων (φίλμ) Εγκλείσματα και μη διαλυτά σωματίδια Τρόπο στερεοποίησης Εύρος θερμοκρασιών στερεοποίησης (αντίστροφα ανάλογα) Σχεδιασμό τροφοδοσίας 22

23 Εύροια χυτευσιμότητα ΙΙ Εξαρτάται από Υλικό καλουπιού Τραχύτητα τοιχωμάτων Θερμοκρασία καλουπιού Βαθμό υπερθέρμανσης (επάνω από Tm) Ρυθμό έκχυσης (μεγάλος διευκολύνει τη μετάδοση θερμότητας) Μη τυποποιημένες δοκιμές ρευστότητας μετρούν το διάστημα που διανύει το τήγμα μέχρι να σταματήσει η ροή. 23

24 Στοιχεία μετάδοσης θερμότητας Ι Σε (θεωρητικά) μια διάσταση το πάχος στερεοποίησης είναι ανάλογο της τετραγωνικής ρίζας του χρόνου. Κανόνας του Chvorinov :ο χρόνος στερεοποίησης είναι ανάλογος του τετραγώνου του λόγου όγκου προς επιφάνεια πχ για σφαίρα V=4πR 3 /3 και S=4πR 2 δηλ. T ~ R 2 Στη διεπιφάνεια τήγματος καλουπιού και καλουπιού περιβάλλοντος υπάρχει πτώση θερμοκρασίας. 24

25 Στοιχεία μετάδοσης θερμότητας ΙΙ Συχνά υπάρχουν αντικρουόμενες τάσεις Σε λεπτά τοιχώματα χυτού η ροή πρέπει να είναι γρήγορη για να αποφευχθεί πρόωρη στερεοποίηση ΑΛΛΑ Υπερβολικά γρήγορη ροή μπορεί να οδηγήσει σε τύρβη και συνεπακόλουθα ελαττώματα. 25

26 προφιλ θερμοκρασίας κατά τη στερεοποίηση Εικόνα 3α.9 26

27 βαθμιαία στερεοποίηση τεμαχίου από χάλυβα Εικόνα 3α.10 27

28 Συστολή - συρρίκνωση Συμβαίνει Προ της στερεοποίησης Κατά την αλλαγή φάσης στο διάστημα συνύπαρξης L+S Μετά τη στερεοποίηση (κύρια συστολή) Παραδείγματα Al 6.6% Al+12%Si 3.8% Χάλυβας 2.5-3% Mg 4.2% Φαιός χυτοσίδηρος -2.5% λόγω διόγκωσης κατακρημνιζόμενου γραφίτη Πρέπει να υπολογίζεται κατά το σχεδιασμό μοδέλου 28

29 Βελτίωση χυτού με θερμική κατεργασία Εικόνα 3α.11 29

30 περιοχές θερμικών κατεργασιών χυτοχαλύβων Εικόνα 3α.12 30

31 θερμικές κατεργασίες άλλων κραμάτων - γήρανση Εικόνα 3α.13 31

32 Κατάλογος Αναφορών Εικόνων Εικόνα 3α.1 3α.3: S. Kalpakjian : Manufacturing processes for engineering materials / Addison Wesley, 1997 Εικόνα 3α.4: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος προβείτε σε επικοινωνία με τη Μονάδα Υλοποίησης Ανοικτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων. Εικόνα 3α.5 3α.13: S. Kalpakjian : Manufacturing processes for engineering materials / Addison Wesley,

33 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα» του ΕΜΠ έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.