Reducering av järnmalm. Kapitel 14: framställning av material. Framställningsmetoder metaller (I) Temperaturen vid formningen

Transkript

1 Kapitel 4: framställning av material Frågeställningar... Vilka är de vanligaste tillverkningsmetoderna för metaller? Hur kan egenskaperna variera i en metallbit som har blivit snabbkyld (quenched)? Hur kan egenskaperna påverkas av efterföljande värmebehandling? Hur skiljer sig tillverkning av keramer från metaller? Reducering av järnmalm Den äldsta fortfarande använda processen Coke järnmalm kalksten gas infordring Lager av coke och järnmalm luft slagg Smält järn Masugn Värme alstring C+O CO reduction av järnmalm till metall CO+C CO 3CO+FeO3 Fe+3CO slaggbildning CaCO 3 CaO+CO CaO + SiO +AlO3 slag Framställningsmetoder metaller (I) Formning Smide (skiftnycklar, vevaxlar) Ofta vid ämne högt T force Dragning (stånger, tråd) drag Gjutning Valsning (plåt, räls, rör) Fogning roll roll Extrusion (profiler, rör) container force ram billet container apted from Fig..7, fäste extrusion 3 Temperaturen vid ningen Varmbearbetning --rekristallisation --mindre energi att a --oxidation: dålig yta --lågre hållfasthet Kallbearbetad Kallbearbetning --ingen rekristallisation --mer energi att a --ingen oxidation: --högre hållfasthet --vanligtvis är egenskaperna mycket anisotropiska! --smidd --hopvirad --Brottseg! (a) (b) (c) Reprinted w/ permission from R.W. Hertzberg, "Deation and Fracture Mechanics of Engineering Materials", (4th ed.), John Wiley and Sons, Inc., 996. (a) Fig..5, p. (micrograph courtesy of G. Vander Voort, Car Tech Corp.); (b) Fig..6(b), p. 4 (Orig. source: J.F. Peck and D.A. Thomas, Trans. Metall. Soc. AIME, 96, p. ); (c) Fig.., p. 45 (Orig. source: A.J. McEvily, Jr. and R.H. Bush, Trans. ASM 55, 96, p. 654.) 7 Framställningsmetoder metaller () Framställningsmetoder (III) Formning Gjutning i sand (a delar t.ex., motorblock) Sand Sand smält metall Investment Casting (små volymer, komplexa er t.ex. smycken, turbinblad) Gips byggd runt en protyp vax av vax Gjuning Fogning Formgjutning (a volumer, låg smältpunkt) Stränggjutning (continuous casting) (enkla er) stelnat 5 Formning Gjutning Fogning Pulvermetallurgi Svetsning (material med låg duktilitet eller a densitetskillnader) (när det är opraktiskt att göra hela detaljen i ett styckel) tryck tillsats metall (smält) bas metall (smält värme hopfogad bas metall ytkontakt opåverkad zon heat affected zone opåverkad zon del del tätare.8, Heat affected zone (HAZ) (Fig..8 from Iron punktkontakt kompaktering Castings (område inom vilket vid låg temp genom diffusion Handbook, C.F. Walton and T.J. vid högre temp mikrostrukturen har Opar (Ed.), 98.) förändrats). 6

2 Värmebehandling av metaller Glödgning: Värm till Tglödgning, svalna långsamt. Avspänningsglödgning : minskar spänningar från: -plastisk deation -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 5-5 timmar. Full Anneal (stål): Gör ett mjukt stål för ing 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 Fasdiagrammet för Fe-C har många unika detaljer Eutektoida delen av fasdiagrammet för Fe-C TEMPERATURE_CELSIUS BCC 75 BCC+FCC FCC BCC+CEMENTIT FCC+CEMENTIT WEIGHT_PERCENT C Based on discussion in Section.7, 7 Härdbarhet för stål Stålets förmåga att omvandlas till martensit Jominy test kan mäta härdbarhet. provstav (austenitiserad) 4 C vatten Hårdhet mot avstånd från den kylda ytan. Hårdhet, HRC 4 Avståndfrånkyldyta flat yta.,., (Fig.. adapted from A.G. Guy, Essentials of Materials Science, McGraw-Hill Book Company, New York, 978.) Varför beror hårdheten av avståndet? Kylhastigheten beror på avståndet. T( C) 6 Hårdhet, HRC 6 3 M(start) A M M(full) A P Avstånd frånd kyld ytad (in) % % Perlit Fin pealit Martensit + perlit Martensit. Time (s) Härdbarhet för legerade stål Jominy test resultat för C =.4wt%C ()., (Fig.. adapted from figure furnished courtesy Republic Steel Corporation.) Legerade Stål" (4, 43, 5, 86) --innehåller Ni, Cr, Mo (. till wt%) --dessa element flyttar "nosen av perlitomv. --martensit kan bildas med lägre kylhastighet. Hardness, HRC Avstånd från kyld yta (mm) 8 T( C) 6 A B Kylhast ( C/s) 43 8 %M TE Flyttning från A till B p.g.a legeringstillsats M(start) M(9%) Time (s) Geometri och kylmedia Betydelse av kylmedium: Medium luft olja vatten Kylhastighet medel Betydelse av geometrin: När yta/volym förhållandet ökar: --ökar kylhastigheten --ökar hårdheten Position centrum yta Kylhastighet Hårdhet medel Hårdhet

3 Uppskattning av härdprofil Ex: Rundstång, steel, vattenkyld, " diameter. Tillverkning av keramer (I) stång diameter (in) R 4 Hårdhet, HRC 6.5 R/ centrum Effektivt avstånd från kylda ändan (in) R = 54HRC R/ = 3HRC centrum = 7HRC Glasning Pressning: Parison ämne Specialning Pressning Fiberdragning:.5.5 Effektivt avstånd från kylda ytan (in) HRC 6 Hardness profile Blåsning: hängande Parison Tryckluft trådvinda in..8, Avslutande.7, Callister, 6e. (Fig..7 is adapted from C.J. Phillips, Glass: The Miracle Maker, Pittman Publishing Ltd., London.) Byggsten: 4- Si 4 tetrahedron Si 4+ O - Kvarts är kristallint SiO: Vad är glas? Glas är amorft Amorfa strukturen gynnas av tillsats av föroreningar (Na +,Mg +,Ca +, Al 3+ ) Föroreningarna: stör uppbyggnaden av ett kristallint gitter. Na + Si 4+ O - (soda glas)., Callister, 6e. 4 Egenskaper för glas () Specifika volymen (/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 Glas (amorf fastfas) T glas.5, Callister, 6e. (oordnad) Kristallin (dvs ordnad) fastfas T smält T Egenskaper för glas () Viskositet: --samband mellan skjuvspänning och gradienten av belastnings hastigheten: --har enheten (Pa-s) τ glass τ=η dv dy τ dy dv dv dy hastighets gradient Viskositeten för glas som funktion av T och föroreningar Viskositeten minskar med T Föroreningar minskar Tde glas Viskositet [Pa s] 96% kvarts Pyrex kalk-soda 4 6 smält kvarts 6 8 T( C) Glödgnings temperatur Tde : tillräckligt mjuk att eras.6, Callister, 6e. (Fig..6 is from E.B. Shand, Engineering Glass, Modern Materials, Vol. 6, Academic Press, New York, 968, p. 6.) 5 6 3

4 Värmebehandling av glas Glödgning: --avlägsnar inre spänningar orsakade av kylningen. Härdning: --utsätter ytan av glaset för tryckspänningar --undertrycker tillväxten av repor och sprickor från ytan. --sekvens: Före kylning Ytan kyls Mer kylning kallare tryckspänningar het het dragspänningar kallare tyckspänningar --Resultat: tillväxt av ytsprickor förhindras Glasning Tillverkning av keramer (IIA) Specialning Malning och siktning: för önskad partikellek Blandning av partiklar och vatten: ger en uppslammad lera" Forma en a "grönkropp" --vatten-plastisk ning: tyck leran genom en A o pistong behållare ämne fäste extruderat A d behållare apted from Fig..7, 7 --Slamgjutning av leran: Formning av keramer Kompakt detalj Tunnväggig detalj Torka och bränn grönkroppen Häll leran i en Häll leran i en Vattnet absorberas av en grön kropp Töm en., (Fig.. is from W.D. Kingery, Introduction to Ceramics, John grön Wiley and Sons, kropp Inc., 96.) 8 Egenskaper hos en lera Lera är billigt Tillsats av vatten --gör att materialet skjuvas lätt längs de svaga van der Waals bindn. --möjliggör extrusion --möjliggör gjutning Struktur för kaolinitlera:.4, (Fig..4 is adapted from W.E. Hauth, "Crystal Chemistry of Ceramics", American Ceramic Society Bulletin, Vol. 3 (4), 95, p..) laddnings neutral Skjuvning Skjuvning laddnings neutral svaga van der Waals bindningar Si 4+ Al 3+ - OH O - Torkning och bränning Torkning: skiktens lek och avstånd minskar. Våt lera Delvis torr Grönkropp Bränning: --Temperaturen höjs till 9- o C --vitrifikation: glas bildas av leran och fyller ut mellan SiO partiklarna. Mikrobild av porslin Si partikel (kvarts) Glas bildad runt partikeln., (Fig.. is from W.D. Kingery, Introduction to Ceramics, John Wiley and Sons, Inc., 96.)., (Fig.. is courtesy H.G. Brinkies, Swinburne University of Technology, Hawthorn Campus, Hawthorn, Victoria, Australia.) Tillverkning av keramer (IIB) Glasning Specialning Sintring: användbart för både leror och andra keramer. Procedur: --mal samman keram och glasbildare till små partiklar --häll dem I en --tryck och värm vid hög temperatur för att få bort porer. Aluminium oxidpulver: --sintrad vid 7 o C under 6 minuter..5, Callister 6e. (Fig..5 is from W.D. Kingery, H.K. Bowen, and D.R. Uhlmann, Introduction to Ceramics, nd ed., John Wiley and Sons, Inc., 976, p. 483.) 7µm 5 µm 4

5 Tillverkning av keramer (III) Glasning Specialning Producerade i mycket a kvantiteter. Portland cement: --blanda lera (SiO ) med kalksten (CaO) --värm till o C --huvudbeståndsdelar: trikalciumsilikat Ca 3 SiO 5 dikalciumsilikat, Ca SiO 4 Tillsätt vatten --ger en mjuk pasta som snabbt hårdnar --hårdheten beror på hydrering (kemiska reaktioner med vattnet). Formning: måste ske snabbt efter hydreringen börjat. Summering Tillverkningsmetoder för metaller - Formning, gjutning, sintring, svetsning Härdbarhet - Ökar med legeringstillsats (i små mängder) Tillverkningsmetoder för keramer - Glasbildning (föroreningar ger nings temp.) - Speciell ning (om begränsad duktilitet) - (a mängder, rumstemp process) Värmebehandling: används till - Avlägsna restspänningar - Framställa detaljer med lägre känslighet mot ytsprickor genom att ytan får tryckspänningar 3 Läsanvisningar Kapitel 4 sidor: , 6-69 Kursivt Typtal: 4., 4.6, 4.7, 4.9 5