Uploaded by User1805

Gjutningsföreläsning 3

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