stolling van metalen:mechanisme, snelheid en proces | Gieten | Productiewetenschap

In dit artikel zullen we discussiëren over het stollen van metalen:1. Mechanisme van stolling 2. Snelheid van stollen 3. Verharding van een groot gietstuk in een isolerende mal 4. Verharding met overheersende grensvlakweerstand 5. Verharding met constant gieten Oppervlaktetemperatuur 6. Verharding met overheersende weerstand in schimmel en gestold metaal.

Inhoud:

1. Mechanisme van stolling
2. Snelheid van stolling
3. Verharding van een groot gietstuk in een isolerende mal
4. Soliding met overheersende interfaceweerstand
5. Verharding met constante gietoppervlaktetemperatuur
6. Stijving met overheersende weerstand in schimmel en gestold metaal

1. Mechanisme van stolling:

Pure metalen:

Vloeistoffen moeten worden afgekoeld tot onder hun vriespunt voordat het stollen begint. Dit komt omdat er energie nodig is om oppervlakken voor nieuwe kristallen te creëren. De mate van onderkoeling die nodig is, wordt verminderd door de aanwezigheid van andere oppervlakken (deeltjes) die dienen als initiële kernen voor kristalgroei.

Wanneer een vloeibaar metaal in een mal wordt gegoten, aanvankelijk (op tijdstip t₀ in Fig. 2.14) is de temperatuur overal θ₀ . Het vormoppervlak zelf fungeert als de kern voor kristalgroei en als de geleidbaarheid van de vorm hoog is, groeien willekeurig georiënteerde kleine kristallen in de buurt van het vormoppervlak.

Vervolgens ontstaat er een temperatuurgradiënt binnen het gietstuk, zoals aangegeven in Fig. 2.14 voor t₁ en t₂ . Naarmate de stolling geleidelijk naar binnen vordert, groeien lange kolomvormige kristallen, met hun assen loodrecht op het vormvlak. Deze oriëntatie van kristalgroei is wenselijk vanuit het oogpunt van sterkte van het gietstuk.

Legeringen:

Een legering heeft, in tegenstelling tot een puur metaal, geen scherp gedefinieerde vriestemperatuur. Het stollen van een legering vindt plaats over een temperatuurbereik. Tijdens dit proces hebben de vaste stoffen die bij verschillende temperaturen worden afgescheiden, verschillende samenstellingen.

Vanwege deze feiten hangt de richting van kristalgroei in een legering af van verschillende factoren, zoals:

(i) Het compositieverloop binnen de casting,

(ii) De variatie van solidustemperatuur met samenstelling, en

(iii) De thermische gradiënt in de mal.

We zullen elk van deze factoren bespreken aan de hand van het voorbeeld van een vaste oplossingslegering waarvan het fasediagram wordt getoond in Fig. 2.15.

Laat de vloeibare legering de samenstelling C₀ . hebben (van B in A). Laat θ_f . ook het vriespunt zijn van puur metaal A, en θ₀ en θ'₀ respectievelijk de liquidus- en de solidus-temperaturen zijn van de legering met samenstelling C₀ .

Aangezien de vloeibare legering wordt afgekoeld tot de temperatuur 0_O , vaste stoffen beginnen te scheiden. De concentratie van B in deze vaste stoffen is slechts C₁ (0 ) zoals blijkt uit Fig. 2.15. Als gevolg hiervan neemt de concentratie van B in de vloeistof, nabij het vast-vloeistofgrensvlak, toe tot een waarde hoger dan C₀ . Figuur 2.16 laat dit zien voor de situatie waarin het stollingsfront zich heeft ontwikkeld tot op enige afstand d van het vormvlak.

Laten we nu eens kijken naar twee punten P en Q binnen de vloeibare legering, waarbij P net voorbij het grensvlak vast-vloeistof ligt, zoals aangegeven in Fig. 2.16. De solidustemperaturen die overeenkomen met de samenstellingen bij P en Q zijn θ'_P en θ'_Q , respectievelijk (zie Fig. 2.15). Laat θ_P en θ_Q zijn de werkelijke temperaturen op respectievelijk de punten P en Q. θ_Q is groter dan θ_P vanwege de thermische gradiënt in het gietstuk (zie Fig. 2.14). Als beide θ_a en θ_P liggen in het bereik θ'_P naar θ'_Q , dan is de vloeistof bij Q onderkoeld, terwijl die bij P dat niet is. Dit houdt in dat de kristallisatie eerder begint bij Q dan bij P. Als dit verschil erg prominent is, wordt de kolomgroei van kristallen vanaf het matrijsoppervlak belemmerd. De kristalgroei kan in een dergelijke situatie verschijnen zoals in Fig. 2.17. Dus een dendritische

Zo wordt een dendritische structuur geproduceerd. Als de kristallisatie bij Q voltooid is voordat deze begint bij P (vanwege een zeer kleine thermische gradiënt, met een zeer hoog concentratieverschil en een zeer slordige vaste lijn), kunnen willekeurig georiënteerde kristallen in het gietstuk verschijnen. Bovendien maakt de aanwezigheid van vaste kristallen vóór het vast-vloeibaar grensvlak de toevoer van het vloeibare metaal moeilijker. Dit houdt ook een groter risico in op het hebben van holtes in het gietstuk, gewoonlijk aangeduid als hartlijnkrimp.

Een remedie om het bovengenoemde probleem te vermijden, is het produceren van een grote thermische gradiënt in de mal door een koeling (gekoeld metalen blok met hoge thermische geleidbaarheid) aan het uiteinde van de mal te voorzien. Als θ_P aanzienlijk lager is dan 6q, dan is de mate van onderkoeling niet significant verschillend bij P en Q en wordt een geleidelijke voortgang van het vast-vloeibaar grensvlak verzekerd. Het probleem is duidelijk minder kritisch voor legeringen met een klein temperatuurverschil tussen de liquidus- en de solidus-lijnen.

De vriespatronen van een gekoelde en een gewone vorm zijn weergegeven in Fig. 2.18. In Fig. 2.18a begint de stolling bij de hartlijn van de mal voordat de stolling is voltooid, zelfs aan de voorkant van de mal. In de gekoelde mal (Fig. 2.18b) daarentegen, stroomt door snelle warmte-extractie een smalle vloeistof-vaste zone snel over het gesmolten metaal.

De moeilijkheid om een ​​bepaalde legering in een mal te voeren, wordt uitgedrukt door een hoeveelheid, genaamd Centre-Line Feeding Resistance (CFR). Het is gedefinieerd als –

---

2. Verhardingssnelheid:

Een reservoir van vloeibaar metaal, stijgbuis genaamd, wordt gebruikt om de krimp te compenseren die plaatsvindt vanaf de giettemperatuur tot aan het stollen. In dit opzicht is grijs gietijzer een interessante uitzondering waar de stolling in twee fasen plaatsvindt.

De krimp die gepaard gaat met de eerste fase kan goed worden gecompenseerd door de uitzetting die plaatsvindt tijdens de tweede fase, en als zodanig is een stijgbuis misschien niet nodig. Om ervoor te zorgen dat de stijgbuis niet stolt vóór het gieten, moeten we een idee hebben van de tijd die het gieten nodig heeft om te stollen.

Bovendien kan de plaatsing (plaats) van de stijgbuis oordeelkundig worden gekozen indien een schatting beschikbaar is van de tijd die het gieten nodig heeft om tot op een bepaalde afstand van het vormvlak te stollen.

De warmte die door het vloeibare metaal wordt afgestoten, wordt via de matrijswand afgevoerd. De warmte die vrijkomt bij afkoeling en stolling van het vloeibare metaal gaat door verschillende lagen. De temperatuurverdeling in deze lagen, op elk moment, is schematisch weergegeven in Fig. 2.19.

De thermische weerstanden die het hele stollingsproces beheersen, zijn die van de vloeistof, het gestolde metaal, het metaal-vormgrensvlak, de vorm en de omgevingslucht. Deze vijf verschillende regio's zijn aangegeven met de nummers 1 tot 5 in Fig. 2.19. Het stollingsproces is behoorlijk gecompliceerd, vooral wanneer rekening wordt gehouden met complexe geometrie, bevriezing van legeringen of temperatuurafhankelijkheid van thermische eigenschappen.

In wat volgt, zullen we de stolling van zuivere metalen bespreken in sommige gevallen van praktisch belang. Daarbij zullen we, afhankelijk van de situatie, vereenvoudigende veronderstellingen maken om de thermische weerstand van een of meer van de in Fig. 2.19 getoonde gebieden te verwaarlozen.

---

3. Verharding van een groot gietstuk in een isolerende mal:

Tijdens het stollen van een groot gietstuk in een isolerende mal, zoals die gebruikt wordt in het zand- of investeringsgietsel, wordt bijna de volledige thermische weerstand geboden door de mal. Daarom berekent de analyse die we geven de bevriezingstijd door alleen rekening te houden met de thermische weerstand van regio 2 (Fig. 2.19).

Beschouw een vormvlak AB getoond in Fig. 2.20. De grote mal, aanvankelijk bij een temperatuur θ₀ , wordt verondersteld te worden uitgebreid tot oneindig in de x-richting.

Op tijdstip t =0, het vloeibare metaal bij temperatuur θ_p wordt in de mal gegoten. We nemen ook aan dat het metaal dat net in contact komt met het vormvlak onmiddellijk stolt. Met andere woorden, de temperatuur van het matrijsvlak wordt verhoogd tot θ_f (vriestemperatuur van het metaal) op t=0 en wordt op die waarde gehouden na voltooiing van het stollen. De temperatuurverdeling binnen de kassa op een later tijdstip t (uitgaande van eendimensionale warmtegeleiding in de x-richting) wordt voor zo'n geval gegeven door

Opgemerkt moet worden dat de voorgaande analyse uitgaat van een vlak metaal-vorm-interface AB, dat gewoonlijk niet wordt aangetroffen in de technische praktijk. Vaak moeten we de bevriezingstijd van complexe contouren weten.

Voor dergelijke contouren hoeven we alleen (zonder enige nauwkeurige berekeningen) de volgende basiskenmerken te observeren om te weten of de analyse die we hebben gegeven de werkelijke bevriezingstijd onderschat of overschat. Om deze kenmerken te observeren, beschouwen we drie soorten metaal-vorminterfaces (zie figuur 2.21), namelijk (i) convex, (ii) vlak (gebruikt in onze analyse) en (iii) concaaf.

In Fig. 2.21a is de warmtestroom meer divergerend, en bijgevolg is de snelheid iets meer dan die in Fig. 2.21b. De bevriezingstijd in een dergelijk geval wordt dus overschat door de voorgaande analyse. Evenzo is in figuur 2.21c de warmtestroom meer convergent, en bijgevolg is de snelheid iets minder dan die in figuur 2.21b. De bevriezingstijd in een dergelijk geval wordt dus onderschat door de analyse die we hebben gegeven.

De kwantitatieve resultaten van het effect van de gietvorm-interface op de vriestijd kunnen worden verkregen voor enkele basisvormen. Voordat we deze resultaten geven, definiëren we twee niet-dimensionale parameters, namelijk-

---

4. Verharding met overheersende interfaceweerstand:

In sommige gangbare gietprocessen wordt de warmtestroom aanzienlijk geregeld door de thermische weerstand van het vorm-metaal-grensvlak. Deze processen omvatten permanent gieten en spuitgieten.

De toestand van geen contactweerstand bestaat alleen wanneer het vorm-metaalcontact zo innig is dat een perfecte bevochtiging optreedt, d.w.z. het gietstuk wordt aan het vormoppervlak gesoldeerd. In een dergelijk geval is de temperatuurverdeling, uitgaande van geen oververhitting, zoals weergegeven in Fig. 2.23. We beschouwen opnieuw een probleem van eendimensionale warmtestroom.

Vergelijking (2.44) is nuttig bij het schatten van de stollingstijd van kleine, dunne onderdelen gegoten in een zware metalen mal zoals gebruikt in een matrijs of permanent gietstuk.

In dit stadium kan worden opgemerkt dat naast de grensvlakweerstand die we hebben besproken, er significante verschillen zijn tussen het stollingsproces in een zandvorm en dat in een koude of metalen vorm.

We geven hier twee belangrijke manieren waarop de laatste verschilt van de eerste:

(i) De thermische geleidbaarheid van het gestolde metaal kan een aanzienlijke thermische weerstand bieden, zoals getoond door regio 4 van figuur 2.19. Hierdoor is de oppervlaktetemperatuur van het gietstuk (θ_s ), zoals te zien is, wordt veel lager dan de vriestemperatuur θ_f .

(ii) Vanwege het onderkoelde gestolde metaal moet meer totale warmte worden verwijderd dan in overweging wordt genomen. Zo speelt de warmtecapaciteit van het stollende metaal ook een belangrijke rol bij de snelheid van stollen.

---

5. Stolling met constante gietoppervlaktetemperatuur:

Als een groot, plaatvormig gietstuk (bijvoorbeeld van staal) wordt geproduceerd in een dunne, watergekoelde mal gemaakt van een metaal (bijvoorbeeld van koper) met een veel hogere geleidbaarheid dan het gestolde gietstuk, dan is de thermische weerstand die wordt geboden door het stollende metaal zelf is belangrijk. In een dergelijk geval wordt de overheersende thermische weerstand geboden door regio 4 (zie afb. 2.19).

Als we de thermische weerstanden van alle andere regio's buiten beschouwing laten, neemt de temperatuurverdeling op elk moment de vorm aan die wordt getoond in Fig. 2.24. Hier, de schimmel-metaalinterface (of het gietoppervlak) temperatuur θ_S kan worden verondersteld constant te blijven op de initiële waarde θ₀ , en θ_f geeft de vriestemperatuur van het metaal aan en wordt ook als giettemperatuur genomen.

Op elk moment t geeft δ(t) de stollingsdiepte aan. Het proces kan zonder veel fouten worden geïdealiseerd als een eendimensionaal proces. Vandaar dat de stollingstijd t_s wordt verkregen van δ(t_s ) =h/2, waarbij h de dikte is van de te gieten plaat. Het temperatuurprofiel binnen het bereik 0

Deze analyse is pas geldig nadat de eerste stollingsfase (0,5-1 cm) voorbij is. Vergelijkbare resultaten voor de stollingstijd van de andere vormen zijn te vinden in de beschikbare literatuur.

---

6. Verharding met overheersende weerstand in schimmel en gestold metaal:

De koperen mal is vrij dik en is niet watergekoeld. Dan is de schimmel-metaal-interfacetemperatuur θ_S kan niet langer worden aangenomen dat deze op de oorspronkelijke waarde blijft θ₀ . De waarde van θ_S , nog steeds verondersteld constant te zijn, wordt bepaald door de thermische eigenschappen van de mal en het gestolde metaal.

Bovendien wordt na de eerste fase van stolling de interfaceweerstand ook verwaarloosbaar. De enige significante thermische weerstand wordt dus geboden door de regio's 2 en 4 (Fig. 2.19) en de resulterende temperatuurverdeling op elk moment is zoals weergegeven in Fig. 2.25. Ervan uitgaande dat de mal een semi-oneindig medium is in de negatieve x-richting, is de temperatuurverdeling in de mal

Nu zijn de linkerkant en ɸ in vergelijking (2.62) bekend; dus ζ kan grafisch of met vallen en opstaan ​​worden bepaald. In de eerste benadering, een grafiek van ζe ^ζ2 [erf (ζ) + ɸ] versus ζ moet worden getekend voor de gegeven waarde van ɸ, en ζ kan dan worden opgelost met de bekende waarde van de linkerkant van vergelijking (2.62). Zodra ζ bekend is, kan de stollingsdiepte worden berekend uit vergelijking (2.47) en de stollingstijd uit vergelijking (2.52). Om een ​​dergelijke casting mogelijk te maken, moet ervoor worden gezorgd dat θ_S blijkt lager te zijn dan het smeltpunt van het vormmetaal.