Verfestigung von Metallen:Mechanismus, Geschwindigkeit und Prozess | Gießen | Fertigungswissenschaft

In diesem Artikel werden wir über die Erstarrung von Metallen diskutieren:1. Erstarrungsmechanismus 2. Erstarrungsgeschwindigkeit 3. Erstarrung eines großen Gussteils in einer Isolierform 4. Erstarrung mit überwiegendem Grenzflächenwiderstand 5. Erstarrung mit konstantem Guss Oberflächentemperatur 6. Erstarrung mit überwiegendem Widerstand in Form und erstarrtem Metall.

Inhalt:

1. Mechanismus der Erstarrung
2. Erstarrungsgeschwindigkeit
3. Erstarrung eines großen Gussteils in einer Isolierform
4. Verfestigung mit überwiegendem Grenzflächenwiderstand
5. Erstarrung mit konstanter Gussoberflächentemperatur
6. Erstarrung mit überwiegendem Widerstand in Schimmel und erstarrtem Metall

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1. Verfestigungsmechanismus:

Reine Metalle:

Flüssigkeiten müssen unter ihren Gefrierpunkt abgekühlt werden, bevor die Erstarrung beginnt. Dies liegt daran, dass Energie benötigt wird, um Oberflächen für neue Kristalle zu erzeugen. Der erforderliche Grad der Unterkühlung wird durch das Vorhandensein anderer Oberflächen (Partikel) reduziert, die als Ausgangskeime für das Kristallwachstum dienen.

Wenn ein flüssiges Metall in eine Form gegossen wird, wird zunächst (zum Zeitpunkt t₀ in Abb. 2.14) ist die Temperatur überall θ₀ . Die Formfläche selbst fungiert als Keim für das Kristallwachstum, und wenn die Leitfähigkeit der Form hoch ist, wachsen zufällig orientierte kleine Kristalle in der Nähe der Formfläche.

Anschließend ergibt sich innerhalb des Gussstücks ein Temperaturgradient, wie er in Abb. 2.14 für t₁ . dargestellt ist und t₂ . Mit fortschreitender Erstarrung nach innen wachsen lange säulenförmige Kristalle, deren Achsen senkrecht zur Formfläche stehen. Diese Orientierung des Kristallwachstums ist im Hinblick auf die Festigkeit des Gussstücks wünschenswert.

Legierungen:

Eine Legierung hat im Gegensatz zu einem reinen Metall keine scharf definierte Gefriertemperatur. Die Erstarrung einer Legierung erfolgt über einen Temperaturbereich. Dabei besitzen die bei unterschiedlichen Temperaturen abgeschiedenen Feststoffe unterschiedliche Zusammensetzungen.

Aufgrund dieser Tatsachen hängt die Richtung des Kristallwachstums in einer Legierung von verschiedenen Faktoren ab. wie:

(i) Der Zusammensetzungsgradient innerhalb des Gussstücks,

(ii) Die Variation der Solidustemperatur mit der Zusammensetzung und

(iii) Der thermische Gradient innerhalb der Form.

Wir diskutieren jeden dieser Faktoren am Beispiel einer Mischkristalllegierung, deren Phasendiagramm in Abb. 2.15 dargestellt ist.

Die flüssige Legierung soll die Zusammensetzung C₀ . haben (von B in A). Lassen Sie auch θ_f sei der Gefrierpunkt von reinem Metall A und θ₀ und θ’₀ sind die Liquidus- bzw. Solidustemperaturen der Legierung der Zusammensetzung C₀ .

Beim Abkühlen der flüssigen Legierung auf die Temperatur 0_O , Feststoffe beginnen sich abzuscheiden. Die Konzentration von B in diesen Feststoffen beträgt nur C₁ (0 ) wie aus Abb. 2.15 ersichtlich. Als Ergebnis steigt die Konzentration von B in der Flüssigkeit nahe der Fest-Flüssig-Grenzfläche auf einen Wert von mehr als C₀ . Abbildung 2.16 zeigt dies für den Fall, dass die Erstarrungsfront bis zu einem gewissen Abstand d von der Formfläche fortgeschritten ist.

Betrachten wir nun zwei Punkte P und Q innerhalb der flüssigen Legierung, wobei P knapp hinter der Fest-Flüssig-Grenzfläche liegt, wie in Abb. 2.16 angedeutet. Die den Zusammensetzungen bei P und Q entsprechenden Solidustemperaturen sind θ’_P und θ’_Q , bzw. (siehe Abb. 2.15). Sei θ_P und θ_Q die tatsächlichen Temperaturen an den Punkten P bzw. Q sein. θ_Q ist größer als θ_P aufgrund des thermischen Gradienten im Gussstück (siehe Abb. 2.14). Wenn beide θ_a und θ_P liegen im Bereich θ’_P zu θ’_Q , dann ist die Flüssigkeit bei Q unterkühlt, die bei P nicht. Dies impliziert, dass die Kristallisation bei Q früher als bei P beginnt. Wenn dieser Unterschied sehr stark ist, wird das säulenförmige Wachstum von Kristallen ausgehend von der Formoberfläche behindert. Das Kristallwachstum in einer solchen Situation kann wie in Abb. 2.17 aussehen. Somit ist ein dendritischer

Somit wird eine dendritische Struktur erzeugt. Wenn die Kristallisation bei Q abgeschlossen ist, bevor sie bei P beginnt (aufgrund eines sehr kleinen thermischen Gradienten, mit einem sehr hohen Konzentrationsunterschied und einer sehr schiefen Soliduslinie), können zufällig orientierte Kristalle im Inneren des Gussstücks auftreten. Darüber hinaus erschwert das Vorhandensein fester Kristalle vor der Fest-Flüssig-Grenzfläche die Zufuhr des Flüssigmetalls. Dies impliziert auch ein größeres Risiko von Hohlräumen im Gussstück, die normalerweise als Mittellinienschrumpfung bezeichnet werden.

Eine Abhilfe zur Vermeidung des oben genannten Problems besteht darin, einen großen thermischen Gradienten innerhalb der Form zu erzeugen, indem am Ende der Form eine Kokille (gekühlter Metallblock mit hoher Wärmeleitfähigkeit) bereitgestellt wird. Wenn θ_P deutlich unter 6q liegt, dann ist der Unterkühlungsgrad bei P und Q nicht wesentlich unterschiedlich und ein allmählicher Fortschritt der Fest-Flüssig-Grenzfläche ist gewährleistet. Bei Legierungen mit einem kleinen Temperaturunterschied zwischen der Liquidus- und der Soliduslinie ist das Problem offensichtlich weniger kritisch.

Die Gefriermuster einer gekühlten und einer gewöhnlichen Form sind in Abb. 2.18 dargestellt. In Abb. 2.18a beginnt die Erstarrung an der Mittellinie der Kokille, bevor die Erstarrung auch an der Kokillenfläche abgeschlossen ist. In der gekühlten Kokille (Abb. 2.18b) hingegen streicht aufgrund des schnellen Wärmeentzugs schnell eine schmale Flüssig-Fest-Zone über die Metallschmelze.

Die Schwierigkeit, eine bestimmte Legierung in eine Form einzubringen, wird durch eine Größe ausgedrückt, die als Center-Line Feeding Resistance (CFR) bezeichnet wird. Es ist definiert als –

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2. Erstarrungsgeschwindigkeit:

Ein Reservoir aus flüssigem Metall, genannt Riser, wird verwendet, um die Schrumpfung zu kompensieren, die von der Gießtemperatur bis zum Erstarren stattfindet. Grauguss ist in dieser Hinsicht eine interessante Ausnahme, bei der die Erstarrung in zwei Stufen erfolgt.

Die mit der ersten Stufe verbundene Schrumpfung kann durchaus durch die Expansion, die während der zweiten Stufe stattfindet, ausgeglichen werden, so dass eine Steigleitung möglicherweise nicht erforderlich ist. Um sicherzustellen, dass das Steigrohr vor dem Gießen nicht erstarrt, sollten wir eine Vorstellung von der Zeit haben, die das Gießen zum Erstarren benötigt.

Darüber hinaus kann die Anordnung (Position) des Steigrohrs mit Bedacht gewählt werden, wenn eine Schätzung der Zeit, die das Gussstück zum Erstarren bis zu einem bestimmten Abstand von der Formfläche benötigt, verfügbar ist.

Die vom flüssigen Metall abgegebene Wärme wird über die Formwand abgeführt. Die beim Abkühlen und Erstarren des Flüssigmetalls freigesetzte Wärme durchdringt verschiedene Schichten. Die Temperaturverteilung in diesen Schichten zu jedem Zeitpunkt ist in Abb. 2.19 schematisch dargestellt.

Die den gesamten Erstarrungsprozess bestimmenden Wärmewiderstände sind die der Flüssigkeit, des erstarrten Metalls, der Grenzfläche Metall-Form, der Form und der Umgebungsluft. Diese fünf verschiedenen Regionen sind in Abb. 2.19 mit den Nummern 1 bis 5 gekennzeichnet. Der Erstarrungsprozess ist ziemlich kompliziert, insbesondere wenn eine komplexe Geometrie, das Einfrieren von Legierungen oder die Temperaturabhängigkeit der thermischen Eigenschaften berücksichtigt werden.

Im Folgenden werden wir in einigen Fällen von praktischem Interesse die Erstarrung reiner Metalle diskutieren. Dabei werden wir, je nach Situation, vereinfachende Annahmen treffen, um den thermischen Widerstand eines oder mehrerer der in Abb. 2.19 gezeigten Bereiche zu vernachlässigen.

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3. Erstarren eines großen Gussteils in einer Isolierform:

Beim Erstarren eines großen Gussstücks in einer Isolierform, wie sie beim Sand- oder Feinguss verwendet wird, bietet die Form fast die gesamte Wärmebeständigkeit. Daher berechnet die von uns gegebene Analyse die Gefrierzeit, indem nur der Wärmewiderstand von Region 2 berücksichtigt wird (Abb. 2.19).

Betrachten Sie eine in Abb. 2.20 gezeigte Formfläche AB. Die große Form, zunächst bei einer Temperatur von θ₀ , sei in x-Richtung bis ins Unendliche verlängert.

Zum Zeitpunkt t =0 hat das flüssige Metall die Temperatur θ_p wird in die Form gegossen. Wir gehen auch davon aus, dass das Metall, das gerade die Formfläche berührt, sofort erstarrt. Mit anderen Worten, die Temperatur der Formfläche wird auf θ_f . erhöht (Gefriertemperatur des Metalls) bei t =0 und wird nach Beendigung der Erstarrung auf diesem Wert gehalten. Die Temperaturverteilung innerhalb der Kasse zu einem nachfolgenden Zeitpunkt t (unter Annahme einer eindimensionalen Wärmeleitung in x-Richtung) ist für einen solchen Fall gegeben durch

Es sollte beachtet werden, dass die vorstehende Analyse von einer ebenen Metall-Form-Grenzfläche AB ausgeht, die in der Ingenieurpraxis normalerweise nicht anzutreffen ist. Oft müssen wir die Einfrierzeit komplexer Konturen ermitteln.

Für solche Konturen müssen wir (ohne genaue Berechnungen) nur die folgenden grundlegenden Merkmale beachten, um zu wissen, ob die von uns durchgeführte Analyse die tatsächliche Gefrierzeit unter- oder überschätzt. Um diese Merkmale zu beobachten, betrachten wir drei Arten von Metall-Form-Grenzflächen (siehe Abb. 2.21), nämlich (i) konvex, (ii) eben (in unserer Analyse verwendet) und (iii) konkav.

In Abb. 2.21a ist der Wärmestrom divergenter, und folglich ist die Geschwindigkeit etwas höher als in Abb. 2.21b. Somit wird die Gefrierzeit in einem solchen Fall durch die vorangegangene Analyse überschätzt. In ähnlicher Weise ist in Abb. 2.21c der Wärmefluss konvergenter, und folglich ist die Geschwindigkeit etwas geringer als in Abb. 2.21b. Die Einfrierzeit in einem solchen Fall wird also von unserer Analyse unterschätzt.

Die quantitativen Ergebnisse des Einflusses der Form-Gieß-Grenzfläche auf die Gefrierzeit können für einige Grundformen erhalten werden. Bevor wir diese Ergebnisse angeben, definieren wir zwei dimensionslose Parameter, nämlich-

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4. Erstarrung mit überwiegendem Grenzflächenwiderstand:

Bei einigen gängigen Gießverfahren wird der Wärmefluss maßgeblich durch den Wärmewiderstand der Form-Metall-Grenzfläche gesteuert. Diese Verfahren umfassen Kokillenguss und Druckguss.

Der Zustand ohne Übergangswiderstand liegt nur vor, wenn der Formmetallkontakt so eng ist, dass eine perfekte Benetzung erfolgt, d. h. das Gussstück mit der Formfläche verlötet wird. In einem solchen Fall ist die Temperaturverteilung ohne Überhitzung wie in Abb. 2.23 dargestellt. Wir betrachten wieder ein Problem des eindimensionalen Wärmeflusses.

Gleichung (2.44) ist hilfreich, um die Erstarrungszeit von kleinen, dünnwandigen Teilen abzuschätzen, die in einer Schwermetallform gegossen werden, wie sie in einem Kokillen- oder Dauerformguss verwendet wird.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass es über den besprochenen Grenzflächenwiderstand hinaus erhebliche Unterschiede zwischen dem Erstarrungsprozess in einer Sandform und dem in einer Kokille oder einer Metallform gibt.

Wir geben hier zwei wichtige Unterschiede zwischen letzterem und ersterem:

(i) Die Wärmeleitfähigkeit des erstarrten Metalls kann einen beträchtlichen Wärmewiderstand bieten, wie in Bereich 4 von Abb. 2.19 gezeigt. Aus diesem Grund ist die Oberflächentemperatur des Gussstücks (θ_s ), wie zu sehen ist, viel niedriger als die Gefriertemperatur θ_f .

(ii) Wegen des unterkühlten erstarrten Metalls muss mehr Gesamtwärme als angenommen abgeführt werden. Somit spielt auch die Wärmekapazität des erstarrenden Metalls eine wichtige Rolle für die Erstarrungsgeschwindigkeit.

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5. Erstarrung bei konstanter Gussoberflächentemperatur:

Wird ein großes, plattenförmiges Gussstück (zB aus Stahl) in einer dünnen, wassergekühlten Kokille aus einem Metall (zB Kupfer) hergestellt, das eine viel höhere Leitfähigkeit als das erstarrte Gussstück hat, dann ist der Wärmewiderstand von das erstarrende Metall selbst ist von Bedeutung. In einem solchen Fall wird der überwiegende Wärmewiderstand von Bereich 4 geboten (siehe Abb. 2.19).

Unter Vernachlässigung der Wärmewiderstände aller anderen Bereiche nimmt die Temperaturverteilung zu jedem Zeitpunkt die in Abb. 2.24 gezeigte Form an. Hier ist die Temperatur der Form-Metall-Grenzfläche (oder der Gussoberfläche) θ_S davon ausgegangen werden, dass er auf seinem Anfangswert konstant bleibt θ₀ , und θ_f gibt die Gefriertemperatur des Metalls an und wird auch als Gießtemperatur verwendet.

Zu jedem Zeitpunkt t gibt δ(t) die Erstarrungstiefe an. Der Prozess kann ohne große Fehler als eindimensionaler idealisiert werden. Daraus ergibt sich die Erstarrungszeit t_s ergibt sich aus δ(t_s ) =h/2, wobei h die Dicke der zu gießenden Platte ist. Das Temperaturprofil im Bereich 0

Diese Analyse ist erst gültig, nachdem die anfängliche Erstarrungsphase (0,5-1 cm) beendet ist. Ähnliche Ergebnisse für die Erstarrungszeit der anderen Formen können der verfügbaren Literatur entnommen werden.

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6. Erstarrung mit überwiegendem Widerstand in Form und erstarrtem Metall:

Die Kupferform ist ziemlich dick und wird nicht wassergekühlt. Dann die Temperatur der Form-Metall-Grenzfläche θ_S Es kann nicht mehr davon ausgegangen werden, dass der ursprüngliche Wert θ₀ . bleibt . Der Wert von θ_S , noch als konstant angenommen, wird durch die thermischen Eigenschaften der Kokille und des erstarrten Metalls bestimmt.

Darüber hinaus wird nach dem Anfangsstadium der Erstarrung auch der Grenzflächenwiderstand vernachlässigbar. Somit bieten die Bereiche 2 und 4 den einzigen nennenswerten thermischen Widerstand (Abb. 2.19) und die resultierende Temperaturverteilung ist zu jedem Zeitpunkt wie in Abb. 2.25 gezeigt. Unter der Annahme, dass die Form ein semi-unendliches Medium in negativer x-Richtung ist, beträgt die Temperaturverteilung in der Form

Nun sind die linke Seite und ɸ in Gleichung (2.62) bekannt; kann also entweder grafisch oder durch Versuch und Irrtum bestimmt werden. Im ersteren Ansatz wird ein Graph von ζe ^ζ2 [erf (ζ) + ɸ] gegen ζ sollte für den gegebenen Wert von ɸ gezeichnet werden, und ζ kann dann mit dem bekannten Wert der linken Seite von Gleichung (2.62) aufgelöst werden. Sobald ζ bekannt ist, kann die Erstarrungstiefe aus Gleichung (2.47) und die Erstarrungszeit aus Gleichung (2.52) berechnet werden. Damit ein solches Casting möglich ist, sollte sichergestellt sein, dass θ_S liegt unter dem Schmelzpunkt des Formmetalls.

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