Konstruktionsmaterial, 4H1068, 4p. Kursinformation. Repetion: Tillverkning av keramer (I) Repetion: Utmärkande egenskaper för Keramiska material

Transkript

1 Konstruktionsmaterial, 4H1068, 4p Kursinformation Järnmalm Koks Kalksten, kvarts Labkursen är klar och rapporterad, se länk på hemsidan Grattis till 1.5p avklarad kurs. Ej gk labtest: kontakta Matilda Tehler, Ej gjort lab: Anteckna dig på lab för kurs 4H1063, i period 2. Adjunkt Anders Eliasson KTH/ITM/Metallernas gjutning Slagg Smält råjärn Masugn Reduktion av järnmalm till smält råjärn (Pig Iron) Föreläsning 12: Metalliska material och dess användning Förstå material Välja material Utveckla material Kontrollskrivningen är rättad och resultatet kommer att anslås på kurshemsidan samt på kursanslagstavlan för MSE, i entrén BR23. Ser du inte ditt resultat? Visa upp kårleg+id för mig. Hämtas ut på Teknologexp. MSE. Ni var duktiga!!! Kurslitteratur säljs på Teknologexp. MSE. Rum M125A. Må-Ti 12-14, On 11-13, To-Fr (Rolf Beckman). Obs, endast kortbetalning, ej kontanter. Repetion: Utmärkande egenskaper för Keramiska material Keramiska materials utmärks av att de är/har: Dåliga ledare av elektricitet (isolatorer) Hög smälttemperatur Låg värmeutvidgning Kemiskt stabila och bra korrosionsmotstånd Hög hållfasthet (speciellt i tryck) Hög hårdhet, spröda Låg värmeledningsförmåga Glasformning Pressning: Parison form Repetion: Tillverkning av keramer (I) ämne Specialformning Cement Pressning Fiberdragning: Keramer = Oorganiska kristallina material Glas = Amorft material (ingen kristallstruktur). Blåsning: hängande Parison Tryckluft trådvinda Avslutande form Repetion: Egenskaper för glas Specifika volymen (1/ρ) relativt temperaturen (T): Kristallina material: -- Kristalliserar under smälttemperaturen, Tm -- Har en diskontinuerlig ändring av specifika volymen vid Tm Glaser: -- Kristallierar inte. -- Specifika volymen varierar kontinuerligt med T --Glasomvandlings temperatur, Tg (där entropin för glasfasen blir densamma som för kristallina fasen) Specifika volymen Underkyld smälta Glas (amorf fastfas) T glas smälta (oordnad) Kristallin (dvs ordnad) fastfas T smält T Repetion: Tillverkning av keramer (II) Glasformning Specialformning Malning och siktning: för önskad partikellek Blandning av partiklar och vatten: ger en uppslammad lera" Forma en "grönkropp" -- Vatten-plastisk formning (Extrusion, strängpressning): tryck leran genom en form kraft A o pistong behållare ämne behållare formfäste extruderat form Cement A d 1

2 Kompakt detalj Repetion: Slamgjutning Häll leran i formen Vattnet absorberas av formen grön kropp Repetion: Torkning och bränning Torkning: skiktens lek och avstånd minskar. Gipsform Tunnväggig detalj Häll leran i formen Töm formen grönkropp Våt lera Delvis torr Grönkropp Bränning: -- Temperaturen höjs till o C -- Vitrifikation: glas bildas av leran och fyller ut mellan SiO2 partiklarna (smältfassintring). Gipsform En finkorning råmaterialblandning är uppslammad i vatten (slurry). Den hälls i en negativ form av gips. Gipset absorberar vatten och ett tunt skal av fast massa bildas. En fast produkt bildas efter torkning och bränning. Mikrobild av porslin 70μm Si02 partikel (kvarts) Glas bildad runt partikeln Repetion: Tillverkning av keramer (III) Glasformning Specialformning Cement Produceras i mycket a kvantiteter. Portland cement : -- Blanda lera (SiO 2 ) med kalksten (CaO) -- Värm till 1400 o C -- Huvudbeståndsdelar: trikalciumsilikat Ca 3 SiO 5 dikalciumsilikat, Ca 2 SiO 4 Tillsätt vatten -- Ger en mjuk pasta som snabbt hårdnar -- Hårdheten beror på hydrering (kemiska reaktioner med vattnet). Formning: måste ske snabbt efter att hydreringen har börjat. Repetion: Användningsområden för keramer Glaser Lera HögtemperaturSlitmaterial Cement Funktionella keramer -optisk -badrum -kompositer -tegel förstärkning -behållare/ -hushållsgods -tegel för -sandpapper-komposit höga T -skärade -strukturell (brännugn) -polering motor -rotorblad -kolvar -lager -detektorer Egenskaper: -- Tsmält för glas är inte så hög som för andra keramer. -- Dålig slagseghet och duktilitet; hög E-modul, bra kryphållfasthet. Användning: -- Höga temperaturer, slitstyrka, t pris. Tillverkning: -- Glasmaterial kan formas relativt lätt -- De flesta andra keramerna är svåra att forma. Föreläsning 12 Metalliska material och deras användning Vilka konstruktionsmaterial finns det? Viktigt:.. Hur klassificeras metaller och hur används de? Vilka är de vanligaste tillverkningsmetoderna för metaller? Hur är egenskaperna i en metallbit som har blivit snabbkyld (quenched)? Hur kan en metalls egenskaperna påverkas av efterföljande värmebehandling? Material som används vid tillverkning av produkter indelas i metalliska och icke-metalliska material. Icke-metaller indelas i polymerer och keramer. Kompositer är specialfall då de kan vara metalliska, ickemetalliska eller en blandning av dessa klasser. 2

3 Utmärkande egenskaper för metaller Metallers egenskaper varierar inom ett brett spektum, men utmärkande är; Hög smältpunkt Hög hållfasthet Hög duktilitet (formbarhet) Det finns ett t antal metalliska material, som lämpar sig för produktframställning Järn-kol legeringar. Stållegeringar Gjutjärn Icke-järn legeringar. Aluminium (Al-leg) Magnesium (Mg-leg) Cu-bas (Mässing, Bronser) Zink (Zn) Titan (Ti) Klassificering av metaller Järn Steels Stål Gjutjärn Cast Irons <2 <1.4wt%C wt%c 1600 δ 800 α ferrit γ+l 10 γ austenit 1000 α+γ Metall Legeringar (Fe) 1148 C L γ+fe3c 727 C Eutektoid: 0.77 α+fe3c L+Fe3C Eutektisk: 4.30 Icke-järn Cu Al Mg Ti mikrostruktur: ferrit, grafit cementit Fe3C, cementit Reducering av järnmalm Den äldsta fortfarande använda processen Koks järnmalm Kalksten, kvarts Stål Stål - Gjutjärn Gjutjärn gas infordring Lager av koks och järnmalm luft slagg Smält järn Masugn Värme alstring C+O2 CO 2 reduktion av järnmalm till metall CO2+C 2CO 3CO+Fe2O3 2Fe+3CO 2 slaggbildning CaCO3 CaO+CO 2 CaO + SiO2 +Al2O3 slag Järn (Fe): Ren metall eller produkt på järnbas. Stål: Lågkolhaltig Fe-C legering som kan smidas och härdas (martensithärdning). Gjutjärn: Högkolhaltig Fe-C legering som pga sin höga kolhalt inte kan smidas men pga sin a smälttemperatur lätt kan gjutas. Stål Stållegeringar Namn kolhalt <0.25wt%C Låglegerat medelkolhalt wt%C byggnad tryckkärl skiftnycklar bultar hammare knivar högkolhalt wt%C Legerat HSLA härdbart verktygstål austenitskt rostfritt Tillsatser inga Cr,V Ni, Mo inga Cr, Ni Cr, V, inga Mo Mo, W Exempel Härdbarhet σ B %EL Användning bilplåt broar kolvar slitdelar borrar kugghjul sågar slitdelar formar Ökande styrka och kostnad, minskande duktilitet Cr, Ni, Mo högtemp tillämp. turbiner ungnar korrosions beständigt Man skiljer på stål och stål: Allmänna konstruktionsstål Maskinstål Gjutstål Rostfria stål Seghärdningsstål Verktygsstål Dock har de alla det gemensamt att kolhalten är relativt (<2.12 %). Billigast först i raden!!! 3

4 Varför Stål? Fördelar Hög hållfasthet Smidbarhet Svetsbarhet Möjligheten att inom ett mycket brett spektrum, genom tillsats av olika legeringsämnen och/eller genom värmebehandling, variera dess egenskaper. Billigt Gjutjärn Nackdelar Relativt tungt, en densitet på ca 7.8 g/cm 3 Ej korrosionsbeständigt, det krävs alltid någon typ av ytbehandling. Järn-Kol legering med hög kolhalt (>2.12) och med utskiljning av grafit i strukturen. Fördelar är: tpris god gjutbarhet hög skärbarhet vibrationsdämpande förmåga Vitt gjutjärn grått gjutjärn Grafitformer enligt ISO-standard I, II : Fjällgrafit, Gråjärn III : Kompaktgrafitjärn, CGI Vitt gjutjärn Grått gjutjärn Vitt gjutjärn, stelnar med faserna cementit, Fe 3 C, och austenit. Legeringstillsats av Cr och Ni. Vitt gjutjärn är hårt och sprött. Grått gjutjärn, stelnar med faserna grafit och austenit. Legeringstillsats av Si. Ympas vanligen för att säkert stelna grått. Grått gjutjärn är lätt att bearbeta, man vill därför vanligen att gjutjärn ska stelna grått. IV,V : Aducerjärn (temperkol) VI : Segjärn, nodulärt gjutjärn Kopparlegeringar Mässing: Zn legerat (enkla smycken, mynt, rostfritt) Brons : Sn, Al, Si, Ni är legeringsämnen (hylsor, propeller) Cu-Be: partikelhärdande för styrka Ti-legerinar - dens : 4.5g/cm 3 jmf 7.9 för stål -reaktiv vid höga T -rymdfart. Andra metaller Icke-Järn metaller Al-legeringar - dens : 2.7g/cm 3 -Cu, Mg, Si, Mn, Zn legeringämn -lösnings eller partikel härdat (structurella delar av flygplan. UBC (Universal Beer Can) Mg-legeringar - dens : 1.7g/cm 3 -kan brinna! -flygindustri, raketer Högtemp metaller -hög smältpunkt Ädelmetaller -Nb, Mo, W, Ta -Ag, Au, Pt -oxid./korr. mostånd Aluminium Sr modifierad Al-Si legering (Silumin) Renaluminium Kännetecknas av hög korrosionshärdighet, hållfasthet samt mycket god elektrisk och termisk ledningsförmåga. Hårdhetsökning fås via kallbearbetning. Legerat aluminium Har inte lika bra korrosions-, elektriska-, och termiska egenskaper som renaluminium. Kan däremot utskiljningshärdas till hållfastheter i klass med konstruktionsstål. Vanligaste legeringsämnena är Si, Cu och Mg. 4

5 Varför Aluminium? Koppar Mässing, Brons och Rödmetall Fördelar Lätt metall, densitet på ca 2.7 g/cm 3 Hög hållfasthet, legerat aluminium God elektrisk ledningsförmåga Mycket god korrosionsbeständighet Lätt att forma och bearbeta Härdbarhet Svetsbarhet Bronssvärd Pumphus i Rödgods Lagerhus i mässing Nackdelar Låg hållfasthet, olegerat aluminium Kan inducera galvanisk korrosion Relativt dyr metall Koppar Kopparbunke Har hög termisk och elektrisk ledningsförmåga men ingen hållfasthet. Mässing (Cu+Zn) Är billigare än koppar och har högre hållfasthet. Brons (Cu+Sn) Hög hållfasthet kombinerad med t korrosionsmotstånd. Rödgods (Cu+Sn+Zn+Pb) God hållfasthet och bra skärbarhet. Zink Zinklegeringar Ytterligare några (dyra) legeringar Nickelbaslegeringar. Legerat med Al, Cr, Ti etc. Partikelhärdande, korrosionsbeständiga. Goda högtemperaturegenskaper (turbinblad i flygmotorer). Zr-legeringar. Partikelhärdande, korrosionsbeständiga. Påverkas mycket lite av neutronflöde. Pressgjutna detaljer i zink Zinklegeringar Har relativt smältpunkt (419 C) och kan enkelt pressgjutas till tunnväggigt (0,5 mm) gods med komplicerad geometri. Hårt och relativt styvt material med begränsad hållfasthet. Al-Ti legeringar Goda högtemperaturegenskaper men spröda vid temperatur och reaktiva. Duplexa rostfria stål. Höga Cr, Ni, Mn, Mo tillsatser och hög halt av N. Starka och korrosionsbeständiga, särskilt i saltvatten. Formning Smide (skiftnycklar, vevaxlar) kraft often at Ao blank Ad elev. T force Dragning (stånger, tråd) Ao Framställningsmetoder metaller (I) Ad drag kraft Gjutning Valsning (plåt, räls, rör) Ao Fogning roll roll Extrusion (profiler, rör) Ao container force ram billet container Ad holder extrusion Ad Temperaturen vid formningen Varmbearbetning -- Rekristallisation -- Lättare att forma -- Oxidation: dålig yta -- Lägre hållfasthet Kallbearbetad Kallbearbetning -- Ingen rekristallisation -- SVårare att forma -- Fina ytor (ingen oxidation) -- Större hållfasthet --vanligtvis är egenskaperna mycket anisotropiska! -- Smidd -- Hopknölad -- Brottseg! 5

6 Framställningsmetoder metaller (2) Framställningsmetoder (III) Formning Gjutning i sandform (a delar t.ex., motorblock) Sand Sand smält metall Investment Casting (små volymer, komplexa former t.ex. smycken, turbinblad) Gips form byggd runt en protyp vax av vax Gjutning Fogning Formgjutning (a volumer, smältpunkt) Stränggjutning (continuous casting) (enkla former) smälta stelnat Formning Gjutning Fogning Pulvermetallurgi Svetsning (material med duktilitet) (när det är opraktiskt att göra hela detaljen i ett styckel) tryck tillsats metall (smält) basmetall (smält värme hopfogad bas metall ytkontakt opåverkad zon heat affected zone opåverkad zon del 1 del 2 tätare punktkontakt vid temp kompaktering genom diffusion vid högre temp Heat affected zone (HAZ) (område inom vilket mikrostrukturen har förändrats). Värmebehandling av metaller Glödgning: Värm till Tglödgning, svalna långsamt. Avspänningsglödgning : minskar spänningar från: -plastisk deformation -snabb kylning -fasomvandlingar. Rekristallisera : Tag bort effekten av kallbearbetning genom (återhämtning/ rekristallisation) Olika sorts glödgning Mjukglödning(av stål): Gör stål mjukt för att kunna bearbetas. Värm till strax under eutektoida temp och håll där under timmar. Full Anneal (stål): Gör ett mjukt stål för forming genom att austenitisera γ och svalna långsamt för grov perlit Normalisera(stål): Värm stålet så man får austenit svalna sedan långsamt så man får finkorning ferrit Härdbarhet för stål Stålets förmåga att omvandlas till martensit Jominy test mäter härdbarheten provstav (austenitiserad) 24 C vatten Hårdhet mot avstånd från den kylda ytan. Hårdhet, HRC 4 1 Avstånd från kyld yta flat yta Varför beror hårdheten av avståndet? Kylhastigheten beror på avståndet. T( C) 600 Hårdhet, HRC M(start) 0 A M 0 M(full) A P Avstånd frånd kyld ytad (in) 0% 100% Perlit Fin pealit Martensit + perlit Martensit Time (s) Härdbarhet för legerade stål Jominy test resultat för C = 0.4wt%C (1040) Legerade Stål" (4140, 4340, 5140, 8640) --innehåller Ni, Cr, Mo (0.2 till 2wt%) --dessa element flyttar "nosen av perlitomv. --martensit kan bildas med lägre kylhastighet. Hardness, HRC Avstånd från kyld yta (mm) 800 T( C) A B 2 Kylhast ( C/s) %M TE Flyttning från A till B p.g.a legeringstillsats M(start) M(90%) Time (s) 6

7 Betydelse av kylmedium: Geometri och kylmedia Uppskattning av härdprofil Ex: Rundstång, 1040 stål, vattenkyld, 2" diameter. Medium Kylhastighet luft olja medel vatten Betydelse av geometrin: När yta/volym förhållandet ökar: -- Ökar kylhastigheten -- Ökar hårdheten Position centrum yta Kylhastighet Hårdhet medel Hårdhet R R/2 centrum 4 stång diameter (in) 2 Hårdhet, HRC Effektivt avstånd från kylda ändan (in) R = 54HRC R/2 = 30HRC centrum = 27HRC Effektivt avstånd från kylda ytan (in) HRC 60 Hardness 40 profile 2 in. Sammanfattning Stål: öka σ B, hårdhet (och kostnad) genom att lägga till: - C (legerade stål) - Cr, V, Ni, Mo, W (höglegerade stål) - Duktiliteten minskar oftast med legeringstillsatsen Icke-järn: - Cu, Al, Ti, Mg, Ni, högtemperatur, och ädelmetaller Tillverkningsmetoder för metaller - Plastisk formning, gjutning, sintring, svetsning Läsanvisningar Kapitel 13 Sidor: Typtal: 13.2, 13.5, Kapitel 14 Sidor: Typtal: 14.1, 14.4, 14.6, 14.11, Härdbarhet - Ökar med legeringstillsats (i små mängder) 7