Kokillivalu (Permanent mold casting) Jotain valimistusmenetelmiä. Painevalu (Diecasting) Painevalu

Transkriptio

1 Jotain valimistusmenetelmiä Kokillivalu (Permanent mold casting) Muottina käytetään usein valurautaa, jonka pinta on päällystetty lämpökestävällä materiaalilla (savi, natriumsilikaatti). Muotit esilämmitetään (200 C) ennen sulan kaatoa ja koska muotti laajenee lämmetessään, ei kutistuminen ole vastaava ongelma kuin hiekkavaluissa. minimi seinämävahvuus 3 mm paino välillä kg alumiini, magnesium, messinki hammaspyörä, mäntä Onttovalu, kuorivalu (Slush Casting). Metallin annetaan jähmettyä muotin reunoille. Muotin keskellä oleva sula metalli kaadetaan pois. kynttilänjalat, lamput, patsaat 2 Painevalussa käytetään metallista tehtyä muottia johon sula painetaan suurella paineella. Painevalussa saadaan aikaan hyvä pinnan laatu ja tarkat toleranssit. Valettua kappaletta ei tarvitse välttämättä koneistaa. Painevalu (Diecasting) Painevalu Alumiinin painevalussa käytetään yleensä piipitoisia seoksia sillä pii lisää sulan juoksevuutta. Tyypillinen valulämpötila on 650 C ja muottia ei esilämmitetä. Sinkin painevalussa päästään tiukempiin toleransseihin ja ohuempiin seinämiin kuin alumiinilla, koska sulan juoksevuus on parempi. Sinkkiä seostetaan alumiinilla (4%) suuremman lujuuden ja kovuuden aikaan saamiseksi. Valulämpötila on 425 C ja muottia voidaan esilämmittää, jolloin läpimenoaikaa voidaan lyhentää

2 Painevalu Pursotus Painevaletut kappaleet painavat normaalista alle 20 kg. Suurilla kappaleilla esiintyy huokoisuusongelmia. Painevalua helpottaa, jos ainepaksuus ei vaihtele suuresti. Kulmien tulee olla pyöristettyjä jännityskeskittymien välttämiseksi. Kappaleen muotista irrottamista helpottaa päästö. 5 Usein puhutaan myös ekstruusiosta. Jaotellaan lämpötilan mukaan kylmä- ja kuumapursotukseen. Kuumapursotusta lämpötila 50-75% sulamispisteestä, paine MPa Lyijy ja tina C Alumiini C Magnesium C Sinkki C Kupari C Teräs C Kylmäpursotuksessa metalli muokkauslujittuu joten tarvittava paine suurempi (jopa 3100 MPa). alumiini, kupari, hiiliteräkset, niukkaseosteiset teräkset, ruostumatonteräs 6 Pursotus Aihio voidaan puristaa joko takaa (a) tai edestä (b) päin. Takaapursitettaessa etuina ovat Aihio ei liiku joten kitka ja tarvittavat voimat ovat pienempiä Työkalujen käyttöiät pidempiä Takaapuristaminen ei sovellu monimutkaisille muodoille. Pursotus Muotin suunnittelulla pyritään optimoimaan Pintavirheiden ja jälkikäsittelyjen poistaminen Minimoimaan tarvittavat voimat ja energiat Kasvattamaan tuotantonopeutta Tyypillisesti lopullinen muoto syntyy vaiheittain 7 8 2

3 Pursotus Vetäminen Haluttu muoto saadaan aikaan pursottimen suuttimena olevalla työkalulla. Alumiinien pursotustyökalut ovat usein kuumatyöterästä avoprofiilien työkalut ovat varsin yksinkertaisia Onton profiilit tehdään tuurnan kanssa jos tuurna on tuettu suutinta jää rakenteeseen pituus suuntainen sauma Saumattomia profiileja (putkia) pursotettaessa tuurna on osa puristusmäntää. Käytettävässä aihiossa on reikä tuurnaa varten. Vetämisessä metalli kappaleen poikkipintaalaa pienennetään vetämällä se muotin läpi. Soveltuu tankojen, lankojen ja putkien valmistukseen Esimerkki vetämisestä Tarkoituksena valmistaa kuparilanka jonka halkaisija on 5 mm. Lähtökohtana on pehmeäksi hehkutettu Ø10 tanko myötölujuus 140 MPa Muokkausaste on alku- ja loppupinta-alojen erotuksen suhde ( ) / 10 2 =75% myötölujuus 535 MPa Lankaa pitää vetää voimalla joka nostaa jännityksen pehmeän tilan myötölujuuden yli F = σa = 140 N/mm 2 79 mm 2 = N Jännitys muokkautuneella puolella σ = N / 20 mm 2 = 553 N/mm 2 lanka katkeaa Putkentaivutus Nauha taivutetaan pituusakselin ympäri ja hitsataan yhteen. Mahdollista valmistaa erilaisia muotoja ympyrä neliö suorakaide ovaali Materiaalilujuus kasvaa ja murtovenymä pienenee kylmämuokkauksessa putkia taivutetaan ja muotoillaan edelleen (esim. tuolin jalat)

4 Putkentaivutus Lävistävä tuurna Saumattoman putken valmistuksessa voidaan käyttään lävistävää tuurnaa (rotary piercing) lämmitetyt aihiot painetaan tynnyrin muotoisilla valsseilla tuurnaa vasten. Valssien pyörivä liike pyörittää ja työntää aihiota eteen päin. Putken poikkileikkaus muotoillaan mittavalsseilla jonka jälkeen putki oikaistaan Alumiinin lujittaminen Alumiinin lujittaminen Puhtaan alumiinin mekaaniset ominaisuudet ovat vaatimattomat Myötölujuus 10 MPa Murtolujuus 45 MPa Murtovenymä 50% Lujitusmekanismit Liuoslujitus Kylmämuokkaus Dispersiot Erkaumat 16 4

5 Alumiinin lujittaminen Liuoslujitus Kertaus: hilaan liuenneet eri kokoiset atomit vääristävät hilaa ja aiheuttavat jännityskentän joka hidastaa dislokaation liikkumista Alumiinilla ei ole aukotonta liukoisuutta muiden alkuaineiden kanssa (kokoero, kiderakenne, elektronegatiivisuusero ja valenssi ei täsmää) Myös seosaineiden liukoisuus huoneen lämpötilassa on pientä Edellytykset liuoslujitukselle pienet (vertaa kupariseoksiin) Table 4 Solid-solution effects on strength of principal solute elements in super-purity aluminum Element Difference in Strength/addition values(b) atomic radii, Yield strength/% addition(c) Tensile strength/% addition(d) rx-ral, %(a) MPa/wt% MPa/at% MPa/wt% MPa/at% Si Zn Cu Mn (e) 30.3 (e) 53.8 Mg (a) Listed in order of increasing percent difference in atomic radii. (b) Some property-percent addition relationships are nonlinear. Generally, the unit effects of (c) Increase in yield strength (0.2% offset) for 1% (atomic or weight basis) alloy addition. (d) Increase in ultimate tensile strength for 1% (atomic or weight basis) alloy addition. (e) 1 at% of manganese is not soluble Alumiinin lujittaminen Liuoslujittamista käytetään pääasiassa 5000 sarjan seoksissa 1060 (99.60 Al min) 5005 (0.8Mg) 5457 (1.0Mg-0.30Mn) 5050 (1.4Mg) 5052 (2.5Mg-0.25Cr) 5154 (3.5Mg-0.25Cr) 5086 (4.0Mg-0.4Mn-0.15Cr) 5182 (4.5Mg-0.35Mn) 5083 (4.4Mg-0.7Mn-0.15Cr) 5056 (5.0Mg-0.1Mn-0.1Cr) 5456 (5.1Mg-0.8Mn-0.12Cr) Alumiinin lujittaminen Kylmämuokkaus Kertaus: plastinen muodonmuutos lisää dislokaatioden lukumäärää, dislokaatiot huomaavat toistensa jännityskentän ja haittaavat toistensa liikettä

6 Alumiinin lujittaminen Kylmämuokkaus Lujuuden nostaminen kylmämuokkaamalla laskee murtovenymää (yllätysyllätys) toisin kuin liuoslujituksessa Luonnollisestikin liuoslujitettuja seoksia voidaan myös kylmämuokata Muokkausasteen merkitsemiseen käytetään tunnuksia Hx1-Hx9 Alumiinin lujittaminen Raekoon pienentäminen Kertaus: raerajat haittaavat dislokaatioiden liikettä. Monirakeisessa materiaalissa rakeiden muodon täytyy muuttua yhtäaikaa Hall-Petch yhtälö: σ y = σ 0 +k y d Alumiinin lujittaminen Raekoko saadaan pienemmäksi Nopeammalla jäähdyttämisellä Ydintymistä lisäävillä seosaineilla (Ti+B) Eutektisen rakenteen kasvua häiritsesillä seosaineilla (valuseoston modifioinnit) Raerajojen liikkuvuutta laskevilla partikkeleilla Alumiinin lujittaminen Kaksifaasirakenne Jähmettymisessä (tai muulloin) syntynyt sekundäärinen faasi nostaa lujuutta ja kovuutta Sekundääristä faasia syntyy aineista joiden liukoisuus alumiinin on erittäin pienät (Fe, Ni, Ti, Mn, Cr). Tyypillisesti ne muodostavat metallienvälisen yhdisteen alumiinin tai muiden seosaineiden kanssa. Pienentävät usein sitkeyttä ja korroosion kestoa (jalousero alumiinin nähden) Erkaumakarkaisu Erkaumat voivat aiheuttaa hilarakenteen vääristymisen ja jännityksiä (aivan samoin kuin erikokoiset seosatomit) Dislokaatioliike vaikeutuu

7 Erkautuminen Erkaumakarkaisussa lujittavat erkaumat muodostuvat ylikylläisestä jähmeästä liuoksesta Kiderakenne on lähäs sama kuin muualla metallissa, koostumus ja hilamitat muuttuvat tyypillisesti hiukan Erkauman syntymekanismi, koko, muoto ja jakautuminen vaikuttavat seoksen fysikaalisiin, kemiallisiin ja mekaanisiin ominaisuuksiin Kaksi faasisen rakenteen syntymisen taustalla on lämpötilan muuttuminen tasapainopiirroksessa yksi faasialueelta kaksi faasiselle Kaikki faasimuutoksen yksi faasisesta kaksi faasiseen eivät ole erkautumisia (esimerkiksi teräksen 25 perliittireaktio) Erkautuminen Ydintyminen Ydin voi syntyä sekä heterogeenisesti että homogeenisesti (vertaa jähmettymiseen) Heterogeenisessä ydintymisessä ytimet syntyvät mielellään raerajoille tai rakeen sisällä oleviin kidevirheisiin. (vertaa jähmettymiseen) Homogeenisessä ydintymisessä ytimiä syntyy kaikkialla (Erkauma voi syntyä myös ilman ydintymistä spinodaalisena hajaantumisena joka ei todellakaan kuuluu tämän kurssin alueeseen) Erkauma kasvaa kun siihen diffudoituu lisää atomeja Iso pyöreä erkauma on edullisempi kuin pieni ja litteä (vertaa perliitin palloutumiseen) 26 Erkautuminen Atomitasolla erkauman ja matriisin rajapinta voi olla Koherentti ilman atomitasojen siirtymistä tai orientaation muutosta (a) Koherentti ilman atomitasojen siirtymistä (b) Koherentti Semikoherentti Epäkohrentti Erkautuminen Lopullisen (stabiilin) erkauman syntyminen tapahtuu tyypillisesti välivaiheiden kautta Mitä enemmän erkauma vääristää hilaa sen hankalammin erkauma syntyy Mitä suurempi erkauma on sitä kauemmin sen syntyminen kestää Ensin syntyy mielellään koherenttierkauma joka ei vääristä hilaa. Sitten koherentti erkauma. Sitten epäkoherenttierkauma. Prosessi päättyy kun saavutetaan tasapainopiirroksen (vapaaenergiapiirroksen) stabiili rakenne

8 Erkautuminen Tasapainopiirroksessa voidaan esittää metastabiilien erkaumien solvukset Metastabiilia ei esiinny erkautumisen aikana jos lämpötilan on sen solvuksen yläpuolella Alumiinin erkaumat Tyyppiesimerkki on Al- Cu seoksen erkautuminen. Ylikylläinen jähmeäliuos GP vyöhyke θ erkauma θ erkauma θ erkauma Erkautuminen Erkaumien lujittava vaikutus perustuu hilan vääristymiseen ja siten dislokaatioliikkeen hankaloittamiseen Mitä enemmän ja tiheämmässä erkaumia, sitä suurempi kovuus Mitä enemmän hila vääristyy (θ tehokkaampi kuin GB), sitä suurempi kovuus Erkauman koon kasvaminen pidentään niiden välimatkaa (dislokaatiot pääsevät läpi), jolloin kovuus laskee Epäkohrettierkauma ei vääristä hilaa juuri lainkaan. Niiden koko on suuri joten tiheysjakauma pieni. Kovuus laskee Erkautuminen Mitä korkeammassa lämpötilassa erkaumat syntyvät sen suuremmiksi ne muodostuvat Enemmän aikaa diffuusiolle Ensimmäiset erkaumat syntyvät kauemmaksi toisistaan Pienempi maksimikovuus Maksimikovuus saavutetaan aikaisemmin, ylivanheneminen tapahtuu aikaisemmin

9 Alumiinin erkauma Joillain seoksilla ei esiinny erkaumia Joillain seoksilla erkaumat syntyvät itsestään huoneen lämpötilassa (luonnollinen vanheneminen) Erkaumien koon kasvaminen jatkuu kunnes ne muuttuvat liian suuriksi epäkoherenteiksi erkaumiksi (ylivanheneminen) Joillain seoksilla lämpötilaa pitää nostaa jotta erkaumia syntyisi (keinovanhennus) Erkaumat eivät enään kasva käyttölämpötilassa jolloin ylivanhenemista ei synny Esitiedot Miksi erkaumakarkaistava alumiinikappale pitää jäähdyttää nopeasti liuoshehkutuksen jälkeen? Miksi hidas jähdytys aiheuttaa sekundäärisen faasin muodostumista etenkin raerajoille? Miksi sekundääristä faasia ei saisi syntyä liuoshehkutusta seuraavasssa jähdytyksessä? Miten jähdytyksessä syntynyt sekundäärinen faasi vaikuttaa alumiinin mekaanisiin ominaisuuksiin? Esitiedot Jos keinovanhennus lämpötilaa nostetaan, niin miten miksi se vaikuttaa pitoaikaan? Miten keinovanhennus lämpötila vaikuttaa erkaumien syntynopeuteen? Miten diffuusio liittyy asiaan? Miten keinovanhennus lämpötila vaikuttaa erkauminen tyyppiin, kokoon ja tiheysjakaumaan? Miten keinovanhennus lämpötila vaikuttaa maksimikovuuteen (ja lujuuteen)? Esitiedot Miksi keinovanhennus lämpötilalle annetaan jokin yläraja? Mitä tarkoittaa ylivanheneminen ja mistä se johtuu? Miksi pieniä ja tiheään jakautuneita erkaumia ei saada aikaiseksi lyhyelläkään keinovanhennuksella jos lämpötila on liian korkea?

10 Liuoshehkutus Alumiinin lämpökäsittely Lähinnä erkaumakarkaisu Lämpötila riippuvainen käytetystä seoksesta Usein lähellä noin 500 C Tyypillinen vaihteluväli ±6 C, mutta joillekin seoksilla pienempi Esimerkiksi 5.25% Cu Solvus 536 C Solidus 548 C Tyypillinen hehkutuslämpötila välillä C Yli 5.65% Cu seokset (esim ja 2219) liuoshehkutetaan kaksifaasi alueella 38 Ylikuumennus Eutektiset (raerajat oheisessa kuvassa) alueet sulavat ensimmäisenä Lujuus, sitkeys ja murtositkeys heikkenevät Tilannetta ei voi korjata uudella lämpökäsittelyllä Hankala havaita silmämääräisellä tai ainettarikkomattomalla tarkastuksella Liuoshehkutus Liuoshehkutus Mahdollisia syitä Uunin virheellinen täyttö Kappaleiden seinämän vahvuuksien pitää olla lähellä toisiaan Uunin sisäiset lämpötila erot Uunin lämpötila ei ole tasaantunut (lämmitys tai jäähdytys) Suuren lämmitystehon aiheuttama jälkilämpiäminen Lämpösäteily Lämmitysvastus voi nostaa pienen kappaleen lämpötilan 19 C korkeammalle Erillinen termoelementti lämpösäteilyn mittaamista varten Toimintavirhe

11 Liuoshehkutus Erkaumien sulaminen Hitaassa lämmityksessä erkaumat liukenevat ennen eutektista lämpötilaa Nopeassa lämmityksessä osa erkaumista ei ole ehtinyt liueta matriisiin, seosainepitoisuus muuttuu matriisista erkaumaa kohti ja voi olla sulan faasin alueella Lämpökäsittelyt jatkaminen liuottaa sulaneen metallin (ei ongelmaa) Jähdyttäminen ennen sulan liukenemista aiheuttaa eutektisen rakenteen syntyminen Kosteus, kaasuhuokoset ja uuniatmosfääri Syynä voi olla Huonolaatuinen aihio, epäonnistunut kaasun poisto Vesi reagoi alumiinin kanssa (2Al + 3H 2 O = Al 2 O 3 + 3H 2 ) Atomäärinen vety voi diffudoitua alumiiniin Vety voi kasaantua huokosiin Pintaan muodostuvat rakkulat eivät ole ongelma Kosteus, kaasuhuokoset ja uuniatmosfääri Vedyn liukoisuus sulaan alumiiniin merkittävästi suurempi kuin kiinteään alumiiniin Ylikuumennus ja raerajojen sulaminen + kosteus = ongelma Rikki rikkoo suojaavan oksidikerroksen

12 Kosteus, kaasuhuokoset ja uuniatmosfääri Kosteuden ja hapettumisen vähetäminen Kappalaiden ja telineiden kuivaus Sammutusaltaan sijainti NH 4 BF 4, NaBF 4 Kappaleen anodisointi ennen lämpökäsittelyä Huokoset Kiillotetusta poikkileikkauksesta noin 500x suurennoksella Osittainen sulaminen Syövytetystä pinnasta Kellerin syövytteellä 190 ml H 2 O 5 ml HNO 3 3 ml HCl 2 ml HF Tutkiminen Liuoshehkutus Liian matala lämpötila Liukeneminen ei ole täydellistä Rakenteeseen jää alkuperäisiä erkaumia Alumiinin seosainepitoisuudet jää pienemmäksi Ylikylläisyys pienempää Erkautuminen hankalampaa Erkaumia syntyy vähemmän Lujuus jää matalammaksi Liuoshehkutus Hehkutusajan pitää olla riittävän pitkä liukenemisen varmistamiseksi Mikrorakenteen liukenemisnopeus vaihtelee (muoto ja stabiilisuus) Ainevahvuudesta Esim. ohut levy alle 1 min tai hiekkavalu 20 h Hehkutusaika huomio uunin ja kappaleen lämpötila eron Sekä kappaleen pinnan ja sisäosan eron Suolakylvyssä hehkutusaika alkaa heti Suurilla kappaleilla kun lämpötila nousee alarajalle

13 Liuoshehkutus Sammutus Kiertoilma uunissa hehkutusaika alkaa kun uunin lämpötila nousee alkuperäiseen lämpöön Kappaleen lämpötila voidaan mitata myös termoelementillä Kiertoilmauunissa kappaleet sijoitetaan riittävän kauksi (esim. 50 mm) toisistaan Uunin lämpötila jakauma pysyy samana Ilman tulee virrata vapaasti Kappaleiden pinnalle tulee uutta lämmintä ilmaa Puhtaalla alumiinilla päällystettyjen levyjen liuotusaika pyritään minimoimaan 49 Nopea jäähdytys estää haitallisten erkaumien syntymisen Mekaaniset ominaisuudet Korroosion kesto Sammutusväliaineita Upotus kylmään veteen Vesisuihku (pursotetut profiilit) Lämmin vesi (65-80 C) Kiehuvavesi Glykoli-vesi seos Paineilma, ilma Sumu Haitallisia erkaumia voi syntyä Kappaleen liian hitaan siirtämisen takia Esimerkiksi 7075 lämpötilaväli C on kriittinen Liian pienestä sammutusväliaineen määrästä Tilavuus, lämpökapasiteetti, viskositeetti 50 Sammutus Nopet jäähtymisnopeudet voivat aiheuttaa jäännösjännityksiä ja vetelyjä. Hitaampia jäähtymisnopeuksia käytetään Monimutkaisille kappaleille Takeille, valuille Seinämävahvuuden vaihdellessa ohuesta paksuun Jos haitallisten erkaumien syntyminen on epätodennäköistä (esim ja 7005) Lujuus (tai muut ominaisuudet) eivät heikkene Sammutusviive Kappale pitää siirtää liuoshehkutuksesta sammutusväliaineeseen riittävän nopeasti Ilman lämpötila ja nopeus Kappaleen massa (paksuus) ja lämpösäteily

14 Sammutus Sammutusveden lämpötilan pitää yleensä olla alle 38 C koko sammutuksen ajan. Riittävästi vettä verrattuna kappaleen ja telineen massaan Lisäksi sammutusveden pääsystä kappaleen pinnalle huolehdittava (asettelu telineeseen, sekoitus sammutuksen aikana) Liuoshehkutuksen onnistuminen voidaan varmistaa Mekaanisella testauksella Kovuusmittauksella Sähköjohtavuuden mittauksella Sammutus vesisuihkulla Sopii hyvin esimerkiksi pursotukseen Kappale kulkee vesisuihkun läpi Jäähtymisnopeus riippuu kappaleen nopeudesta, pinta-alasta ja veden määrästä Kappaleen pinta jäähtyy ensin nopeasti, mutta sisältä tuleva lämpö lämmittää sen uudestaan Vanhennusta edeltävät käsittelyt Liuoshehkutuksen jälkeen alumiini on melkein yhtä pehmeää kuin O tilassa Muovaus ja oikaisu mahdollisimman pian luonnollisen vanhenemisen johdosta Muokkaus lisää jäännösjännityksiä Väsyminen ja jännityskorroosion kesto huonompi Uudelleen hehkutusta ei suositella rakeenkasvun takia Venyttäminen Jännitysten poisto pienellä muokkauksella (erkaumakarkenevuus voi jopa lisääntyä) Tx51, Tx52 Terminen jännitysten poisto Keinovanhennus lämpötila ei laske jännityksiä Korkeammat lämpötilat laskevat lujuutta T7 Syklaus -73 C ja 100 C välillä 1-5 kertaa voi poistaa 25% jännityksistä Uudelleen kuumennus Lämpöä käyttävät prosessit (kuumamuokkaus, kuumaliimaus, pulverimaalaus jne) voivat vaikuttaa merkittävästi alumiinin ominaisuuksiin Esimerkiksi 2024-T4 altistuu raerajakorroosiolle jos se on 150 C:ssa 15 minuuttia 8 tunnin sisällä sammutuksesta Alistustumista ei tapahdu 16 tunnin jälkeen

15 Hyviä puolia Kappaleen nopea lämpeäminen Pieni sarjakoko Vähemmän vetelyjä Huonoja puolia Lämpötilan muuttuminen hidasta Suolaa jää kiinni kappaleeseen (hävikki ja puhdistus) Suola korrodoi Työturvallisuus Suolakylvyt Huonoja puolia Nitraattikylpy voi reagoida magnesiumin kanssa Sulaan suolaa laskettavan kappaleen tulee olla puhdas ja kuiva. Siinä ei saa olla ilmataskuja Suolan ylikuumennus ja reagointi upokkaan kanssa voi aiheuttaa räjähdyksen Mittamuutokset lämpökäsittelyssä Metallurgiset Rekristallisaatio Liukeneminen esim kutistuu 2 mm/m erkaumien liuetessa Erkautuminen Mekaaniset Painovoima Lämpöjännitys Jäännösjännityksen purkautuminen Liuoshehkutus Viruminen väärin tehdyn lastauksen takia Telineen ja alumiinin lämpölaajeneminen Sammutus Erot jäähtymisnopeudessa Vanhennus Erkaumien syntyminen Laadunvarmistus Vetokoe Tutkittavien näytteiden määrä vaihtelee (joka erä 9 sauvaa kuussa) Tietty hajonta sallitaan Heikoimmalle sauvalle tehdään raerajakorroosiokoe Pinta puhdistetaan peittausliuoksella (HNO 3 + HF) Pesu vedellä, metallisen kuparin poisto väkevässä typpihapossa Pesu ja kuivaus Raerajakoe 6h NaCl+H 2 O 2 Poikkileikkaushie 59 15