Fördjupning i gjutning Föreläsning 3 av 3 Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 1 Föreläsningens innehåll • • • • • Volymförändringar Värmeöverföring Kornstruktur Konstruktion av gjutgods Defekter Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 2 Volymförändringar - kontraktion • Kontraktionen kan orsaka svåra problem vid svalnandet: – Sjunkningar (Deformation av ytskalet) – Mikroporositet (Uppkomst av mindre håligheter i godset) – Sugningar el. pipebildningar (uppkomst av större krymphåligheter) – Restspänningar, krympsprickor och kast • Kontraktion beror på atomsvängningar och kristallgitter (atomstruktur) – Ökar vid högre temperatur och medför att varje atom tar större plats. – Då materialet smälter bryts de starka bindningarnar (metallbindningarna) Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 3 Kontraktionsproblematik • En metallsmältas stelning och svalning sker i tre etapper: - Smältkrympning - fylla på mer smälta - Stelningskrympning - viktige veta var krymphåligheter uppstår för kompensation - Godskrympning - ger formförändringar samt mekaniska spänningar – rätt design Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 4 Solidifieringskontraktion • Tabellen visar olika gjutmetallers procentuella och kontraktion när de omvandlas från flytande till fast form. Contraction (%): Aluminum Zinc Al-4.5% Cu Gold White iron Copper Brass (70-30) Magnesium 90% Cu-10% Al Carbon steels Al-12% Si Lead 7.1 6.5 6.3 5.5 4-5.5 4.9 4.5 4.2 4 2.5-4 3.8 3.2 Expansion (%): Bismuth Silicon Gray iron 3.3 2.9 2.5 (Ref: Kalpakjian) Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 5 Mekaniska egenskaper • • • Hårdhet, hållfasthet, duktilitet, bearbetbarhet, slitstyrka, friktion, homogenitet Definition av bra egenskaper svår, olika egenskaper önskvärda beroende på användningsområde Mekaniska egenskaper påverkas i första hand av: – – – – – • • Legeringstyp Svalnings/stelningsförlopp Kärnbildning Värmebehandling Design Generellt eftersträvas homogena, isotropa gods m.a.p. kristallstorlek och legeringshalt Små kristaller och korn ökar normalt hållfastheten => snabb stelning => många kristaller och mindre dendritarmsavstånd Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 6 Värmetransport • Ledning: • Energi transporteras genom gittervibrationer och elektroner Strålning: Energi transporteras genom elektromagnetisk strålning • Konvektion: Energitransport sker genom materialförflyttning med olika energiinnehåll. Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 7 Temperaturfördelning vid formvägg Konvektion Strålning Ledning (Ref: Kalpakjian) Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 8 Stelning av rena metaller • • En ren metall stelnar vid en specifik temperatur som är lika med dess smälttemperatur Vämemängd: Q = mcDT = rV (c × (T - T ) + H + c × (T - T )) s Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg m 0 f l p m 9 Räkneexempel- värmemängd • En disk som är 40 cm i diameter med en tjocklek på 5 cm skall gjutas av ren aluminium i en öppen gjutform. Smälttemperaturen för aluminium är Tm= 660°C och tappningstemperaturen är Tp= 800°C. Antag att mängden aluminium är 5% mer än vad som behövs för att fylla formen. Beräkna värmemängden som behövs för att nå tappningstemperaturen, då starttemperaturen är 25°C. Fasomvandlingsenergin är 389,3 J g-1. Antag att den specifika värmen, cs och cl är lika d.v.s. 0,88 J g-1K-1. Densiteten, ρ är 2,7 g/cm3. Lösningsgång: Volym: V= Uppvärmd volym, 5%: Värmemängden Q: pd2 4 h= p 402 4 5 = 6283.2 cm3 6283.2 ×1.05 = 6597.3 cm3 Q = mcDT = rV (cs × (Tm - T0 ) + H f + cl × (Tp - Tm )) Q = 2,70 × 6597,3(0,88(660 - 25) + 389,3 + 0,88(800 - 660) ) = 19082756 J = 19,1MJ Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 10 Stelning av rena metaller • • • P.g.a. kyleffekten bildas en tunt skikt i gränsskiktet närmast gjutformsväggen direkt efter tappning Skikttjockleken ökar till att bilda ett skal runt smältan varefter stelningsprocessen fortskrider Stelningshastigheten beror på värmeöverföringen till gjutformen tillsammans med de termiska egenskaper hos metallen Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg Ytkristallzon Pelarkristallzon 11 Stelning av legeringar • Legeringar tenderar att stelna inom ett temperaturintervall istället för vid en temperatur Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 12 Stelning av legeringar • • Karakteristisk kornstruktur hos en gjuten legering. Bilden visar mikrosegringsbildning hos legeringsämnen i mitten av gjutningen ”segringar”, eftersom olika legeringar har de olika ingående ämnena olika stelningstemperaturer. Skapar anisotropa material Ytkristallzon Likaxlig kristallzon Pelarkristallzon Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 13 Fasdiagram- nickel/koppar • • • Övre cirkel visar kristallkärnbildningen Den andra cirkeln visar dendritbildningen Den undre cirkeln visar den fasta legeringen med korngränser Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 14 Fasdiagram Fe-C • • • • Järn/kol-diagrammet är δ (ferrit) ett av de viktigaste av fasdiagrammen eftersom de flesta gjutlegeringar är γ + smälta γ (austenit) av gjutjärn. Gjutjärn >2% Kol γ+ cementit En ökad kolhalt minskar α+ γ likvidustemperaturen dvs. den temperatur då allt α (ferrit) material är smält. α+ cementit Solidustemperaturen, där allt stelnat är lägre Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 15 Stelningshastighet • • • En lägre stelningshastighet resulterar i en grövre dendritstruktur Med minskande kornstorlek ökar hållfastheten och duktiliteten i materialet och risken för sprickor under stelnandet minskar Varierande kornstorlek och fördelning medför anisotropi i materialet Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 16 Stelningstrukturer • Schematisk illustration av 3 grundtyper av gjutstrukturer. (a) Pelardendriter, (b) Likformiga dendriter, (c) Likformiga korn (icke dendritisk struktur) – Långsam kylning => dendrittillväxt Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 17 Dendrittillväxt • Bild till höger visar bild från mikroskop Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 18 Stelningsstrukturer • (a) Stelnande för grått gjutjärn i ett 180 mm göt. – Efter 11 min når dendriterna varandra, men götet är fortfarande i flytande/halvflytande mot mitten – Det tar ca 2h innan götet är helt stelnat • (b) Stelnande av kolstål i sand och kyld (metall(permanentform) – Notera skillnader i stelningsmönster då kolhalten ökar Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg Ref: Kalpakjian – Manufacturing Engineering and Technology 19 Gjutstrukturer • Schematisk illustration av 3 gjutna strukturer i en kvadratisk göt: – (a) Ren metall; – (b) lösningshärdad legering – (c) struktur erhållen genom användning av kärnbildningsämnen. Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 20 Aluminium/koppar-legeringar • • (a) Fasdiagram för aluminium/kopparlegeringar (b) Olika mikrostrukturer uppnådda genom åldring Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 21 Värmebehandlingstemperaturer Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 22 Ref: Colton J.S.: Manufacturing Processes and Engineering Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 23 Riktad kristalltillväxt • • • Genom att använda en förvärmd gjutform som sedan kyls successivt uppåt, vilket medför att pelarkornen växer i en riktning. Resultatet blir longitudinella korngränser och inga tvärkorngränser, vilket ger en detalj som är starkare i en riktning. Används för turbinblad för att dessa ska få högre hållfasthet mot centrifugalkrafter Ref: Kalpakjian – Manufacturing Engineering and Technology Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 24 Enkristallkomponenter • • Bättre krypegenskaper och motstånd mot termisk chock => längre och mer tillförlitlig livstid. Vid enkristalltillväxt har gjutformen en helixform (korkskruv) vars tvärsnitt är så litet att endast en kristall kan tillväxa. Ref: Kalpakjian – Manufacturing Engineering and Technology Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 25 Riktad stelning • • • Riktad stelning flerkornig och enkristalltillväxt har använts för turbinbladstillverkning för jet-motorer till flyplan i över 10 år och kan också hittas i markburna gasturbiner (som är mer eller mindre är konverterade jet-motorer) Att implementera enkristalltillväxt har påbörjats men går långsammare för stora landbaserade gasturbiner, eftersom processen inte är direkt skalbar. (Ref: http://www.ms.ornl.gov/programs/energyeff/ats/airfoils.htm) Finns utvecklade röntgenmetoder för att övervaka kristallbildningen I realtid för att styra kylningen och som kan mäta andelen fasfas i området runt dendritiskt stelnande (Ref: http://www.tms.org/pubs/journals/JOM/9907/Fitting/Fitting-9907.html) Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 26 Gjutlegeringar • Vilka olika metaller finns och hur ser deras egenskaper ut? Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 27 Ferrometaller - gjutjärn • • • • Den viktigaste av all gjutlegeringar Mängden gjutjärn är flerfaldigt större än alla andra metaller tillsammans Finns flera typer: (1) grått gjutjärn, (2) kompaktgrafitgods, (3) vitt gjutjärn, (4) aducerjärn och (5) segjärn Typiska tappningstemperaturer är ~ 1400°C beroende på sammansättning Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 28 Ferrometaller - stål • • De mekaniska egenskaperna hos stål gör det attraktivt som konstruktionsmaterial De svårigheter som finns vid gjutning av stål är: – Tappningstemperaturen för stål är högre än för de flesta andra gjutmetaller ~ 1650°C – Vid dessa temperaturer oxiderar stål, vilket innebär att smältan måste isoleras från luft – Smält stål har relativt dålig flytbarhet Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 29 Ferrometaller Material Gråjärn Densitet [kg/m^3] 7100-7500 Aducerjärn 7100-7500 Sträckgräns [Mpa] 135-300 175-300 Brottseghet [MN/m^(3/2) 17-20 35-45 Hårdhet [HB] 133-200 Egenskaper God gjutbarhet, God skärbarhet, Goda glidegenskaper, God tryckhållfasthet, Sprött 115-175 God gjutbarhet, God skärbarhet, God seghet, Goda glidegenskaper, God hållfasthet Segjärn 7100-7500 225-435 38-77 125-190 God gjutbarhet, God seghet, Goda glidegenskaper, Hög hållfasthet Gjutstål (olegerat) 7700-8000 225-700 105-115 152-260 Hög hållfasthet, God seghet Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg Användning Maskindelar, bildelar, rör, valsar, kokiller Rördelar, mindre maskindelar, bildelar, lantbruksredskap Maskindelar, bildelar, rör, valsar Delar till fartyg, fordon och maskiner 30 Icke-ferrometaller • • • • Goda mekaniska egenskaper i förhållande till vikt Generellt sett mycket hög gjutbarhet Tappningstemperaturen är låg ~ 660°C Egenskaper – Låg vikt (inte alla) – Olika hållfasthetsegenskaper fås genom värmebehandling – Bra bearbetbarhet Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 31 Gjutlegeringar Material Densitet [kg/m^3] Sträckgräns [Mpa] Brottseghet [MN/m^(3/2 ) Hårdhet [HB] Egenskaper Låg Aluminiumlegeringar Kopparlegeringar 2600-2900 8300-8800 20-340 20-60 (gjutet) 50-680 15-120 37-210 Elektrisk termisk ledare Zinklegeringar 1600-1900 6400-6700 75-150 185-225 Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 50-67 67-80 Bildelar, motorblock, komplexa geometrier och Rördelar, låskompone nter, utsmyckning sdetaljer densitet, Korrosionsbe ständig Bildelar, ramar till bärbara datorer, sportdetaljer God gjutbarhet, Låg smältpunkt Bilindustrin, husållsprodu kter, kontorsutrus tning Låg Magnesiumlegeringar densitet, Korrosionsbe ständig, kompatibel med många gjutprocesser Användning 32 Konstruktion av gjutgods • • • • • Flera aspekter att beakta när en detalj ska tillverkas genom gjutning Konstruktionen bör vara anpassad till vald gjutlegering och gjutmetod Viktigt att utnyttja varje gjutmetods alla styrkor och fördelar Kommunikation mellan konstruktör och gjutberedare Val av gjutmetod bör ta hänsyn till: – – – – – Valt material Seriestorlek Krav på måttnoggrannhet och ytjämnhet Godsvikt Produktens konstruktion (geometri) Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 33 Arbetsgång vid konstruktion för gjutning Välj material Välj om möjligt annat material Välj om möjligt annan gjutmetod Välj gjutmetod Kan valt material gjutas med vald gjutmetod? Är vald metod lämplig vid aktuell seriestorlek? Uppfyller vald metod ställda krav på toleranser och ytor? nej nej nej Anpassa konstruktionen till vald gjutmetod & valt material Kostnad för modeller, kokiller, verktyg Släppning Partning Kärnor Gjutning Steln. krymp. Rensning Ing.rör, förstärkn. Formens hållf. & storlek Hållf. Bearb. Svaln. krymp. (Ref: gjuteriteknik, Karlebo förlag AB) Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 34 Konstruktionsanvisningar • • Figur (a) visar förslag på konstruktionsförändringar för att undvika gjutdefekter. Notera att skarpa hörn bör undvikas för att reducera spänningskoncentrationer. Figurer (b)-(d) exemplifierar vikten av att ett enhetligt tvärsnitt upprätthålls för att undvika uppkomst av kritiska punkter (s.k. “hot spots”) och krymphåligheter. (Ref: Kalpakjian) Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 35 Konstruktionsanvisningar • • Identifiera funktionsytor för att förbättra konstruktion och design Upprätthåll enhetlig godstjocklek (Ref: Kalpakjian) Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg (Ref: gjuteriteknik, Karlebo förlag AB) 36 Konstruktionsanvisningar • • A & C har ungefär samma stelningstid; B har längre. För att åstadkomma kortare stelningstid måste godstjockleken också minskas eller hålet göras ännu större. Matarna ska placeras på den del av gjutsycket som stelnar sist (TST, Chvorinovs lag) (Ref: gjuteriteknik, Karlebo förlag AB) Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 37 Konstruktionsanvisningar • Utformningen påverkar ofta hållfastheten mer än materialet – Mer gynnsamt ur gjutsynpunkt – Sparar material • Undvik dragpåkänningar om dessa kan ersättas med tryckpåkänningar, speciellt viktigt vid användning av ex. gråjärn (Ref: gjuteriteknik, Karlebo förlag AB) Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 38 Gjutdefekter • För att identifiera potentiella kritiska punkter ”hot spots” i gjutformen kan pilar med längden av halva gjuttjockleken ritas ut i normalens riktning. Där pilarna möts kan problem uppkomma i from av bl.a. porositet. (Ref: Gutowski) (Ref: gjuteriteknik, Karlebo förlag AB) Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 39 Gjutdefekter • Defekter kan minimeras eller elimineras genom rätt konstruktion och beredning av gjutformer och kontroll på fyllningsproceduren. (Groover) Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 40 Kvalitetsstyrning • • Kontroll av smälta (ex. legeringsämnen, temperatur) Provning av gjutgods: – Förstörande provning – Oförstörande provning Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 41 Förstörande provning • • Mikrostrukturkontroll på uppslipade prover (ljusmikroskop, svepelektronmikroskop) Kontroll av mekaniska egenskaper utifrån prover av gjutgods – – – – Hållfasthet Dragbrottgräns Sträckgräns Hårdhet Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 42 Oförstörande provning • • • • Ytfel kan kontrolleras m.h.a. ex.magnetiska, induktiva metoder Inre fel (porer, inneslutningar) Radiografisk provning (Röntgen), ultraljud Dimensionsfel – ultraljudsmetoder eller direkt uppmätning Metallurgiska fel, ex. strukturfel – ultraljud och resonansmetoder Hålighet i godset ger starkare svärtning på röntgenfilmen Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg Radiografisk provning (Ref: gjuteriteknik, Karlebo förlag AB) 43 Resonansmetoden • Gjutgodsets egenfrekvens mäts, som är en funktion av: – Formen – Vikten – Elasticitetsmodulen • • • Svängningarna kan alstras m.h.a. ett hammarslag eller en tonfrekvensgenerator Finns automatiserade system som avskiljer ej godkända detaljer Kan detektera: – Yttre defekter – Grafitutformning i segjärn (draghållfasthet) Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 44 Automatiserad provning • • • • Hammare slår till gjutgods Mikrofon registrerar ljud Signalen analyseras Gods som inte uppfyller kraven avskiljs Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 45 Miljöfrågor • Inre miljöfrågor – Damm – Gaser – Buller – – – – • Vibrationer Belysning Värme Olycksfall Yttre miljöfrågor – Stoffutsläpp – Luktande utsläpp – Deponering av avfall (formmassor, slagg etc.) – Avloppsvatten Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 46 Gjutekonomi • Viktigt att beakta totalkostnaden som är sammansatt av: – Material + personal + verktyg + utrustning + värmebehandling + rensning + inspektion/provning – Direkta kostnader måste vägas mot kvalitet, egenskaper, ledtid etc. Tillverkningsteknik TVB 300 – Fördjupning i gjutning - Staffan Anderberg 47