Metaalversterking: mechanismen, snelheden en gietprocessen

Inhoud

1. Versterkingsmechanisme
2. Versterkingssnelheid
3. Versterking van groot gietstuk in isolerende vorm
4. Versterking met overheersende interfaceweerstand
5. Versterking met constante gietstukoppervlaktetemperatuur
6. Versterking met overheersende weerstand in vorm en versterkt metaal

1. Versterkingsmechanisme

Zuivere metalen

Vloeistoffen moeten onder hun vriespunt gekoeld worden voordat versterking begint, omdat energie nodig is om oppervlakken voor nieuwe kristallen te creëren. De benodigde onderkoeling wordt verminderd door aanwezigheid van andere oppervlakken (deeltjes) die als initiële kristallisatiekernen dienen.

Bij gieten in een vorm is aanvankelijk (t=0 in fig. 2.14) de temperatuur overal θ₀. Het vormoppervlak fungeert als kern voor kristalgroei; bij hoge geleiding groeien willekeurig georiënteerde kleine kristallen nabij het vormoppervlak.

Vervolgens ontstaat een temperatuurgradiënt in het gietstuk (fig. 2.14 voor t₁ en t₂). Naarmate versterking naar binnen vordert, groeien lange kolomkristallen met assen loodrecht op het vormoppervlak. Deze oriëntatie is gunstig voor de sterkte.

Legeringen

Een legering heeft geen scherp vriespunt; versterking verloopt over een temperatuurbereik. De uitschiedende vastestoffen bij verschillende temperaturen hebben wisselende samenstellingen.

De richting van kristalgroei hangt af van:

1. Samenstellingsgradiënt in het gietstuk.
2. Variatie van solidus temperatuur met samenstelling.
3. Thermische gradiënt in de vorm.

We bespreken dit aan de hand van een vastestofoplossing met fasendiagram (fig. 2.15). Vloeibare legering samenstelling C₀ (B in A). θ_f vriespunt van zuiver A, θ₀ en θ'₀ liquidus en solidus van legering C₀.

Bij afkoeling tot θ₀ scheiden vastestoffen zich af met concentratie B = C₁ (< C₀). De concentratie B in het vloeistof nabij de vast-vloeistof grens stijgt boven C₀. Figuur 2.16 toont dit voor versterkingsfront op afstand d van vormwand.

Overweeg twee punten P en Q in het vloeibare legering, P net buiten de grens. Solidus temperaturen bij P en Q zijn θ'_P en θ'_Q. Werkelijke temperaturen θ_P en θ_Q. θ_Q > θ_P door thermische gradiënt. Als beide θ_P en θ_Q in bereik θ'_P tot θ'_Q liggen, is vloeistof bij Q onderkoeld, bij P niet → kristallisatie begint eerder bij Q. Als dit verschil groot is, wordt kolomgroei vanaf vormoppervlak gehinderd → dendrietische structuur (fig. 2.17). Als kristallisatie bij Q compleet is voordat hij bij P begint (kleine thermische gradiënt, grote concentratieverschil, steile solidus), verschijnen willekeurig georiënteerde kristallen binnenin. Aanwezige vaste kristallen voor de grens bemoeilijken voeding van vloeibaar metaal → groter risico op holtes (centrumlijnkrimp).

Oplossing: grote thermische gradiënt door chill (gekoeld metalen blok met hoge geleiding) aan vorm einde. Als θ_P aanzienlijk onder θ_Q ligt, is onderkoeling niet significant verschillend → geleidelijke voortgang van grens. Probleem minder kritisch bij legeringen met klein verschil liquidus-solidus.

Vriespatronen van gechillde en gewone vorm in fig. 2.18. Gewone vorm (2.18a): versterking begint aan centrelijn voordat vormwand klaar is. Gechillde vorm (2.18b): snelle warmteonttrekking → smalle vloeistof-vast zone zoemt door gesmolten metaal.

Moeilijkheid van voeding van een legering in een vorm wordt uitgedrukt in Centre-Line Feeding Resistance (CFR).

2. Versterkingssnelheid

Een reservoir van vloeibaar metaal (riser) compenseert krimp van giet temperatuur tot versterking. Grijze gietijzer is uitzondering: versterking in twee stadia; krimp eerste stadium gecompenseerd door expansie tweede stadium → riser soms onnodig.

Om te zorgen dat riser niet vóór gietstuk versterkt, is kennis van versterkingstijd nodig. Ook plaatsing van riser kan beter gekozen worden met schatting van tijd tot versterking op bepaalde afstand van vormwand.

Warmte van vloeibaar metaal wordt afgeleid door vormwand. Temperatuursverdeling in lagen op elk moment schematisch in fig. 2.19. Thermische weerstanden: vloeistof (1), versterkt metaal (2), metaal-vorm interface (3), vorm (4), omgevingslucht (5). Proces is complex bij ingewikkelde geometrie, legeringsversterking, temperatuurafhankelijke eigenschappen.

We bespreken versterking van zuivere metalen in praktische gevallen, met vereenvoudigende verwaarlozing van één of meer weerstandsregio's.

3. Versterking van groot gietstuk in isolerende vorm

Bij zand- of lost-wax gieten is bijna alle thermische weerstand in de vorm (regio 2, fig. 2.19). Analyse berekent vriestijd met alleen weerstand van regio 2.

Overweeg vormwand AB (fig. 2.20). Grote vorm, initiële temperatuur θ₀, oneindig in x-richting. Op t=0 wordt vloeibaar metaal θ_p gegoten. Metaal in contact met vorm versterkt instant → vormwand temperatuur θ_f (vriespunt) bij t=0 en constant tot einde versterking. Temperatuursverdeling in vorm op tijd t (één-dimensionale warmtegeleiding in x) gegeven door formules.

Let op: analyse veronderstelt vlakke metaal-vorm interface, niet gebruikelijk in praktijk. Vaak complexe contouren. Kwalitatieve kenmerken tonen of analyse onder- of overschat:

• Convexe interface (fig. 2.21a): warmtestroom divergenter → sneller → vriestijd overschat.
• Vlakke interface (2.21b): referentie.
• Concave interface (2.21c): warmtestroom convergenter → langzamer → vriestijd onderschat.

Kwantitatieve resultaten voor basisvormen met twee dimensieloze parameters.

4. Versterking met overheersende interfaceweerstand

Bij permanente vormgieten en drukgieterij wordt warmtestroom sterk beheerst door thermische weerstand van vorm-metaal interface.

Geen contactweerstand alleen bij perfecte benatting (gietstuk gesoldeerd aan vorm). Temperatuursverdeling zonder oververhitting in fig. 2.23. Één-dimensionale warmtestroom.

Vergelijking (2.44) helpt schatten van versterkingstijd van kleine, dunwandige onderdelen in zware metalen vormen (drukgieterij/permanente vorm).

Naast interfaceweerstand: twee belangrijke verschillen tussen zandvorm en chill/metaalvorm:

1. Thermische geleiding van versterkt metaal (regio 4, fig. 2.19) geeft aanzienlijke weerstand → oppervlaktetemperatuur θ_s wordt veel lager dan θ_f.
2. Door onderkoeld versterkt metaal moet meer totale warmte worden verwijderd → warmtecapaciteit van versterkend metaal speelt rol in versterkingssnelheid.

5. Versterking met constante gietstukoppervlaktetemperatuur

Groot, plakvormig gietstuk (staal) in dun, watergekoelde koperen vorm (veel hogere geleiding dan versterkt gietstuk) → overheersende weerstand in regio 4 (fig. 2.19).

Alle andere weerstanden verwaarloosd → temperatuurprofiel fig. 2.24. Vorm-metaal interface temperatuur θ_S constant bij initiële waarde θ₀. θ_f = vriespunt = giet temperatuur. Op tijd t is δ(t) verdieping versterking. Proces geïdealiseerd als 1D. Versterkingstijd t_s uit δ(t_s) = h/2 (h = dikte plak). Temperatuurprofiel 0 < x < δ(t) gegeven.

Analyse geldt na initiële versterkingsfase (0,5–1 cm). Vergelijkbare resultaten voor andere vormen in literatuur.

6. Versterking met overheersende weerstand in vorm en versterkt metaal

Koperen vorm dik, niet watergekoeld → θ_S niet meer constant θ₀. Waarde θ_S constant, bepaald door thermische eigenschappen van vorm en versterkt metaal. Na initiële fase wordt interfaceweerstand verwaarloosbaar. Alleen regio's 2 en 4 (fig. 2.19) significant → temperatuursverdeling fig. 2.25.

Vorm als semi-oneindig medium in negatieve x-richting. Temperatuursverdeling in vorm gegeven. Linkerkant en φ in vergelijking (2.62) bekend → ζ determineerbaar grafisch of per proef. Grafisch: plot ζe^{ζ²}[erf(ζ)+φ] vs ζ voor gegeven φ, los ζ op met bekende linkerkant. Met ζ: verdieping versterking uit (2.47), versterkingstijd uit (2.52). Voor haalbaarheid: θ_S moet onder smeltpunt vormmetaal uitkomen.