Framställningsmetoder metaller (I) Plastisk formning Smidning (skiftnycklar, vevaxlar) kraft sänke ofta vid Ao metall Ad höga T kraft Dragning (stånger, tråd) Ao die die Ad drag kraft Gjutning Valsning (plåt, räls, rör) Ao roll roll Extrusion (profiler, rör) Ao container kraft stämpl ämne container e Fogning Ad matrishållare profil Ad matris Plastisk formning - Plastisk bearbetning Definition Genom plastisk deformation förändra metallens form under bibehållen volym och massa. Den formade produkten har i stort samma volym som utgångsämnet. Före Efter Varmbearbetning (> 0.6T M ) Ämnestemperaturen är så hög att materialet blir mjukt och segt, för stål vanligen mellan 900-1200 C Dynamisk rekristallisation, då den plastiska bearbetningen utförs vid hög temperatur. Hög duktilitet (formbarhet) vid förhöjd temperatur medför att stora deformationer blir möjliga. Materialets flytspänning sjunker med ökande temperatur vilket ger ett lägre kraftbehov. Snabb diffusion vid höga temperaturer medför utjämning av koncentrations-variationer i materialet pga segring. Kallbearbetning (< 0.3T M ) Ämnestemperaturen är i närheten av rumstemperatur Plastisk bearbetning sker vid en temperatur där återhämtningsprocesserna inte är effektiva. Leder till deformationshårdnande. Deformationshårdnandet bidrar till ökat kraftbehov och större verktygsbelastningar. Begränsad formbarhet då ökad hårdhet och minskad duktilitet ökar risken för brott. Inför fortsatt deformation måste materialet avspänningsglödgas. Varm/kallbearbetning vid plastisk formning 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! Plastisk bearbetning - Smidning Plastisk bearbetning genom slag eller tryck ( varmt eller kallt) av ett ämne. Räcksmidning Friformssmidning av stora ämnen (axlar mm) med hjälp av hydralpressar. Sker varmt, över rekristallisations-temperaturen. Sänksmidning Ämnet formas mellan två sänken mha pressar eller sk hejare (energibundna). Formar med flera steg och med material-överskott sk skägg. Kallsmidning Smidning i slutna verktyg, utan skägg. Ger goda dimensionstoleranser och fina ytor. Hög hållfasthet pga deformationshårdnande. 1
Plastisk bearbetning - Räckmidning Plastisk bearbetning Open-die forging Smidespress Ämne Manipulator Under smidesprocessen strävar man efter att så snabbt som möjligt komma ned i ämnestvärsnitt. Ämnet matas fram och vrids ett litet stycke mha en manipulator mellan varje deformationssteg. Friformssmidning på Scana Björneborg Friformssmidning av stålämnen på Scana Björneborg. Produkten är en 40 ton, 1100 mm, generatoraxel för en kraftgeneratorer på ca 100-150 MW. Den ska rotera 3000 rpm och klara start/stopp på full rotation. Gjutet 3.5%Ni stål (segt, kanonrörsstål). Scanas axelproduktion är på ca 2-3 st/v, kraft-, vindkraft, propelleraxel etc. Egen götgjutning, max diam 2000 mm, ca 70 ton. Plastisk bearbetning - Sänksmidning Plastisk bearbetning - Kallsmidning Varmt ämne skägg Gängade skruvar ut Tråd in vevaxel Kallsmidesmaskin för skruvtillverkning Det varma ämnet formas mellan två sänken, mha en press (kraftbunden) eller en sk hejare (energibunden), i flera steg och med materialöverskott, sk skägg. Stål är det vanligaste kallsmidda materialet. Typiska detaljer är skruvar, spik, muttrar samt mindre komponenter till bilindustrin Plastisk bearbetning - Extrusion Areareduktion genom att ett ämne pressas genom en formbestämmande matris. Profiltillverkning Enkla balkprofiler. Komplicerade hålprofiler. Vanligen varmbearbetning. Plastisk bearbetning - Extrusion Massiv profil Matrisen har ett hål motsvarande profilens tvärsnitt. Rör och stångtillverkning Stål, koppar och aluminium. Stämpel Container Ämne Matris Profil Hålprofil Matrisen formar ytterkontur. Kärnan formar hål och hålls på plats med hjälp av bryggor 2
Plastisk bearbetning - Extrusion Plastisk bearbetning - Valsning Plastisk bearbetning genom att materialet (varmt eller kallt) dras in mellan två valsar. Platta produkter (plattvalsning) Materialet dras in mellan två valsar via friktionsspänningar i kontaktytan ämne/vals. Arbetsvalsarna har en eller flera stödvalsar, kvartovalsverk etc. Bandet förs fram-och-tillbaka genom valsparen (kallas stick) för att reducera tjockleken. Stång, Profiler, Tråd (spårvalsning) Valsarna är försedda med spår och valsverken är vanligen kontinuerliga douvalsverk. Spårserier används för att få en korrekt slutform. Exempel på olika profilfunktioner som direkt kan fås i den tillverkade profilen. Plastisk bearbetning - Plattvalsning Plastisk bearbetning - Dragning Reducering av ett ämne genom dragning (alltid kallt) genom en sk dragskiva. Tråddragning Tråd ned till 0.01 mm kan dras. Sker alltid kallt. Fasta smörjmedel, tex zinkstearat eller flytande oljor. CVC: Continuously Variable Crown Vid plåt och bandvalsning är planhet ett viktigt kvalitetsbegrepp. Man måste kunna kompensera för den böjning av arbetsvalsarna som sker pga trycket från bandet. CVC-valsning innebär att arbetsvalsarna är slipade till flaskform så att geometrin på valsgapet kan styras. Rördragning Reduktion av väggtjocklek. Fast dorn eller flytande i balans med horisontella krafter. Fasta smörjmedel. Dragskiva Tråd, Stång Rör Dorn Plastisk bearbetning - Tråddragning Smörjmedel, zinkstearat Haspling av tråd Plastisk bearbetning - Plåtformning Plastisk formning (kallt) av plåt genom pressning eller tryck av eggverktyg. Pressning Omformning av plana plåtämnen till kupiga föremål. Trycksvarvning Framställning av rotationssymmetriska kärl. Tråddragningsbänk Utgångsmaterialet är vanligen varmvalsad tråd, ca 5 mm i diameter. Rör och tråd är stora produktgrupper, tex kopparrör för VVS och olika rostfria rör. Bockning Materialet formas genom ett böjande moment. Klippning Sönderdelning av material mellan två mot varandra arbetande eggar. Stansning Klippning mellan stans och dyna. 3
Varför plastisk bearbetning? Fördelar Ge önsvärd yttre form, genom plastisk formning av materialet. Bryta upp gjutstrukturen Omforma kornstrukturen, utjämna segringar, sluta porositeter och bryta upp slagger och oxider. Styra produktegenskaperna Ökad hållfasthet genom förfining av kornstrukturen (rekristallisation), ökad hårdhet genom deformationshårdnande. Ekonomiska - Rationell tillverkning av profiler och plåt (halvfabrikat). Nackdelar Kostnad Stora investeringskostnader, höga verktygskostnader, kostnad för uppvärmning. Risk för sprickor och brott Direkt brott pga felaktig bearbetning, felaktig temperatur etc, indirekt brott pga olämplig materialstruktur (slaggstråk, kornstruktur, etc). Framställningsmetoder metaller (II) Formning Gjutning i sandform (stora delar t.ex., motorblock) Sand Sand smält metall Gjutning Investment Casting (små volymer, komplexa former t.ex. smycken, turbinblad) Keramform byggd runt en protyp vax av vax Fogning Formgjutning (stora volumer, låg smältpunkt) Stränggjutning (continuous casting) (enkla former) smälta stelnat Gjutning i engångsformar Sandformsgjutning - Handformning Sandformsgjutning Handformning (små serier) Maskinformning (stora serier) Skalformning (fina ytor, låg vikt, dyrt) Fullformsgjutning (ingen partning) Vakuumformning (inget bindemedel) Keramiskt formmaterial Vaxursmältningsmetoden (fina ytor och toleranser, dyrt) Shawprocessen (keramisk skalformning) Gjutning i gipsform (lättmetaller) Gjutning i sandform är den klart dominerande gjutmetoden. Den smälta metallen strömmar in i formhåligheten, som bildats av modellen vid formningen. Efter att smältan stelnat slås formen sönder och gjutstycket tas ur (urslag). Sandgjutna produkter Gjutgodsdetaljer i rödmetall/mässing. Sandgjutgods Avgasgrenrör för personbilsmotor i segjärn. Sandgjutgods Precisionsgjutning - Vaxursmältningsmetoden 1. Vaxmodeller gjuts av komponenten 2. Ett sk träd byggs av modellerna + ingjutsystem 3. Trädet doppas i en keramisk slurry 4. Vaxet smält ur och formen bränns (hårdnar) 5. Gjutning sker direkt i varmt skal 6. Keramformen avlägsnas (slås sönder) 4
Gjutning i permanenta formar Kokillgjutning Gravitationsgjutning i permanenta formar (statisk kokillgjutning). Lågtryckskokillgjutning Smälta pressas från varmhållningsugnen upp i kokillen och fyller formhåligheten. Pressgjutning Smält metall pressas med hög hastighet in i ett pressverktyg av stål. Centrifugalgjutning Centrifugalkraften utnyttjas för att föra smältan in i formhåligheten, utöva ett förtätande tryck och ev utforma detaljens inre kontur. Stränggjutning Smältan tappas via en gjutlåda ner i en Cu-kokill där metallen perifiert stelnar och dras ut i en kontinuerlig sträng. Kokillgjutning - Högtryckspressgjutning Före Efter Formen sluts, smältan hälls i kallkammaren (skottcylindern), kolven trycks in och pressar smältan in i formen (kokillen). Med högt tryck och med hög hastighet pressas smältan ut i tunna sektioner och fyller då lätt komplicerade konturer. Pressgjutna produkter Stränggjutning Fälg till personbil. Lågtryckspressgjutning Pressgjuten symaskinsarm. Högtryckspressgjutning Smältan hälls ner i en vattenkyld Cu-kokill. Ett stelnat skal dras ut från botten av kokillen. Direkt vattenbegjutning på skalet i kylzonen får metallen att stelna. Gjutsträngen kapas i lämpliga längder. Stränggjutna produkter Slabs, rektangulärt tvärsnitt, platta produkter Götgjutning Skänk Kokill Göt Blooms, kvadratiskt tvärsnitt (> 150x150 mm) Vid götgjutning tappas smältan från en skänk, en behållare för smält metall, ner i en eller flera gjutformar, sk kokiller. Det stelnade gjutgodset kallas ett göt (för plastisk bearbetning). 5
Götgjutna produkter Val av gjutmetod Räcksmidning av gjutna ämnen (göt) till färdig form (valsar, axlar). En manipulator hanterar ämnet medan en hydralisk press deformerar (smider) det till färdig form. Typ av legering som ska gjutas. Hög eller låg smälttemperatur? Seriestorlek. Enstaka detaljer eller serieproduktion? Storlek av detalj. Storleksbegränsning, styckvikt, komplexitet? Fördelar Svårbearbetbara metaller kan gjutas Komplicerade former kan gjutas Frihet i formgivning Ingen storleksbegränsning uppåt Minskat behov av kostsam skärande bearbetning Gjutning av sammansatta konstruktioner Låg kostnad bra totalekonomi Varför gjuta metaller? Nackdelar Slagginneslutningar (mikro/makro)»sämre duktilitet och dynamiska eg. Grov mikrostruktur (kornstruktur)»sämre mekaniska egenskaper Segring, ojämn fördelning av legeringsämnen (mikro/makro)»utskiljning av ej önskvärda strukturer och sammansättningsvariationer. Porer och porositet (mikro/makro)»ytdefekter och sämre mek.eg. Restspänningar (stelning/svalning)»sprickbildning i och deformationer. Gjutdefekter (sandgjutgods)»ytdefekter och dålig formnoggrannhet. Framställningsmetoder (III) Formning Gjutning Fogning Pulvermetallurgi Svetsning (material med låg duktilitet) (när det är opraktiskt att göra hela detaljen i ett stycke) punktkontakt vid låg temp tryck tätare värme ytkontakt kompaktering genom diffusion vid högre temp tillsatsmetall (smält) basmetall (smält Hopfogad bas metall HAZ (värmepåverkad zon opåverkad zon opåverkad zon del 1 del 2 Värmepåverkad zon (HAZ) (område inom vilket mikrostrukturen har förändrats). Varför tillverka produkter från pulver (PM)? Ekonomiska skäl Bättre materialutnyttjande, allt använt material blir komponenter Hög dimensionsnoggranhet, Near-net shape produktion Automatiserad tillverkning av produkter med färre tillverkningssteg Nödvändighet Refraktära metaller (hög T m ) Kompositmaterial Porösa material Lagermaterial Högpresterande material Vad är ett pulver? Fe-pulver från Höganäs AB. Avståndsmarkering 100 μm 6
Den pulvermetallurgiska processkedjan Pulverframställning Blandning Pulverpressning Sintring Färdig produkt PM-material delas in i olika grupper Refraktära metaller och Keramer W, Ta, Al 2 O 3 Kompositer Hårdmetall (WC-Co), kontaktmaterial (Ag/Cu-W/WC) Porösa material Filtermaterial (Cu-Sn) Lagermaterial Glidlager (Metall-Pb, Brons-PTFE) Konstruktionsmaterial Fe-C Högpresterande material (Snabbstelnande material) Superlegeringar, amorfa material Konstruktionsmaterial, Fe-C Konstruktionsmaterial, Fe-C Typiska PM produkter PM-material (Fe, Fe-Cu, Fe-X) används för masstillverkning av komponenter med höga toleranser på ett ekonomiskt sätt. Fogningsmetoder!!! Fogning - Svetsning» Mekanisk sammanfogning» Limning» Lödning» Svetsning» Diffusionsfogning Svetsning: förbindning mellan två arbetsstycken med eller utan tillsatsmaterial genom lokal uppvärmning till smältning. 7
Svetsning - Svetsmetoder Smältsvetsmetoder: Svetsning med belagda elektroder MIG/MAG-svetsning TIG-svetsning Plasmasvetsning Gassvetsning Pulverbågsvetsning Lasersvetsning EB-svetsning Trycksvetsmetoder Punktsvetsning Sömsvetsning Pressvetsning Energitäthet Med energitäthet menas hur koncentrerad värmetillförseln är. Låg energitäthet: Lång tid att nå T m, långsammare process, högre sträckenergi mer värmespridning och deformationer. Hög energitäthet: Kort tid att nå T m, låg sträckenergi och små deformationer, svetsning med hög hastighet. HAZ (Heat Affected Zone) HAZ (Heat Affected Zone) Smältzon Normaliserad zon Opåverkad zon Överhettad zon Rekristalliserad zon Vid svetsning erhålles strukturförändringar i materialet. Det material som varit smält stelnar olika snabbt beroende på tjocklek och omgivninges temperatur. Det material som ligger i Vid svetsning erhålles strukturförändringar i materialet. Det material som varit smält stelnar olika snabbt beroende på tjocklek och omgivninges temperatur. Det material som ligger i området närmast det som varit smält ändrar struktur. området närmast det som varit smält ändrar struktur. 8