Innowacje w odlewnictwie Część II

Transkrypt

1 Innowacje w odlewnictwie Część II Pod redakcją Jerzego Sobczaka

2 Opiniodawcy: Prof. dr hab. inż. Andrzej Baliński Prof. dr hab. inż. Józef Dańko Prof. dr hab. inż. Zbigniew Górny, mdhc Prof. dr hab. inż. Wojciech Kapturkiewicz Prof. dr hab. inż. Wojciech Przetakiewicz Prof. dr hab. inż. Stefan Wojciechowski, DHC Prof. dr hab. inż. Paweł Zięba Zespół redakcyjny: Mgr Joanna Madej Dr inż. Halina Pawłowska Mgr Anna Samek-Bugno Prof. dr hab. inż. Jerzy Sobczak Korekta wydawnicza: Inż. Marta Konieczna Dr inż. Halina Pawłowska Projekt okładki: Mgr inż. Paweł Darłak Zdjęcie na okładce: Kropla czystego aluminium na podłożu monokrystalicznym spinelu MgAl 2 O 4 o orientacji powierzchni kontaktu (100) po badaniach zwilżalności (obraz SEM) (dzięki uprzejmości Centrum Badań Wysokotemperaturowych Instytutu Odlewnictwa w Krakowie oraz Instytutu Transportu Samochodowego w Warszawie) Copyright by Instytut Odlewnictwa 2008 Wszelkie prawa zastrzeżone Zgodnie z Ustawą z dnia o prawie autorskim i prawach pokrewnych (Dz.U. Nr 24/94 poz.83 z późn. zm.) żadna część niniejszej publikacji nie może być powielana czy rozpowszechniana bez pisemnej zgody Autorów Wydawca: Instytut Odlewnictwa w Krakowie, Komitet Organizacyjny PBZ-KBN-114/T08/2004 Druk: Drukarnia Know How, Kraków ISBN

3 Streszczenie Proponowana publikacja jest monograficznym ujęciem wyników drugiego roku realizacji projektu badawczego zamawianego PBZ-KBN-114/T08/2004 Nowoczesne tworzywa i procesy technologiczne w odlewnictwie. Otrzymane wyniki przedstawiono w usystematyzowanej postaci, odzwierciedlającej realizowane w projekcie poszczególne zadania badawcze, zgrupowane w cztery tematy główne, do których zaliczono: nowoczesne odlewy monolityczne ze sterowaną mikrostrukturą (gwarantujące odpowiednio wysoki poziom właściwości użytkowych), odlewy spełniające wyszukane wymagania eksploatacyjne (gradientowe i warstwowe, w tym z kontrolowaną nanostrukturą powierzchni), inteligentne procesy prognozująco - wytwórcze oraz nowoczesne techniki topienia i odlewania. Obiektem badań były głównie stopy na bazie Al, Co, Cu, Fe, Mg, Ni i Ti, kompozyty aluminiowe z fazami zbrojącymi w postaci węgla oraz ceramiki na bazie szeregu tlenków, węglików i azotków, w tym tworzyw mulitowych (również o strukturze gradientowej) oraz popiołu lotnego a także cyrkonianu wapnia jako potencjalnego materiału na tygle. W porównaniu z analogicznym opracowaniem opisującym wyniki pierwszego roku realizacji projektu, w danej monografii zamieszczono szereg oryginalnych, pionierskich prac związanych zarówno z badaniami własnymi o charakterze podstawowym (badania wysokotemperaturowe czy modelowanie matematyczne), jak również autorskie studia eksperymentalne z wykorzystaniem możliwości aplikacyjnych, ujmujących innowacyjne materiały i konkretne wyroby. W wielu przypadkach zaprezentowano wyniki badań już po ich weryfikacji w warunkach przemysłowych. Monografia stanowi drugą część planowanego do wydania zbioru wyników realizacji projektu badawczego zamawianego w trzech tomach, stanowiącego specyficzny tryptyk odlewniczy, poświęcony innowacyjnym materiałom, w tym nanofazowym, wybranym metodom badawczym, wytwórczym i procesom, stosowanym we współczesnym odlewnictwie, jak również zabiegom recyklingu i obróbki ubytkowej. Abstract This publication is a monographic presentation of an outcome of the second-year of the studies on the Commissioned Research Project PBZ-KBN-114/T08/2004 Modern materials and processes for use in foundry industry. The obtained results were put in a systematic order to describe individual research tasks executed under the project framework. The tasks were grouped into four main subjects, covering the following thematic areas: modern monolithic castings with controlled microstructure (ensuring the required high level of utilisation properties), castings satisfying the most stringent and sophisticated performance requirements (gradient and multi-layer castings, including cast parts with controlled surface nanostructure), intelligent forecasting and manufacturing processes, and modern melting and casting techniques. The object of the studies were mainly alloys of Al, Co, Cu, Fe, Mg, Ni and Ti, aluminium composites reinforced with carbon and ceramics, based on various oxides, carbides and nitrides, including mullite-type materials (also of gradient structure), flyash, and calcium zirconate as a potential material for crucibles. Compared with an analogical study describing the results obtained during the first year of project execution, the present monograph comprises numerous original and pioneer solutions derived from own theoretical investigations (high-termperature studies or mathematical modelling) as well as the results of genuine experimental studies with various possibilities of practical application, covering the innovative materials and related specific products. In many cases, the results of the investigations are presented after their practical verification under industrial conditions. The monograph is the second part of a three-volume set of the results obtained during execution of the Commissioned Research Project. The whole is meant to form a sort of foundry triptych devoted to innovative materials, nanophase materials included, to selected research methods and manufacturing processes used in modern foundry, and to the recycling treatment and chip-forming processes. 5

4 SPIS TREŚCI Wstęp... 9 I. Nowoczesne odlewy monolityczne o sterowanej mikrostrukturze i wysokim poziomie właściwości użytkowych I.1. Stopy żelaza i niklu stopy umacniane endogenicznie za pomocą azotu I.2. Mikrostruktura i właściwości magnetyczne staliwa Fermanal I.3a. Nowa generacja materiałów na bazie aluminium i magnezu. Cz. I. Stopy ultralekkie na bazie magnezu i litu I.3b. Nowa generacja materiałów na bazie aluminium i magnezu. Cz. II. Krótkotrwała ultrawysokotemperaturowa obróbka cieplna stopów Al. Stopy Al-Li uzyskane w warunkach wysokiego ciśnienia I.4. Podstawy modyfikacji perytektycznych bezołowiowych stopów miedzi I.5. Badania właściwości odlewniczych, mechanicznych i struktury nowych ekologicznych stopów odlewniczych na bazie miedzi I.6. Siluminy o wysokiej odporności na zużycie I.7. Wpływ dodatku proszku korundowego i ph na właściwości reologiczne ceramicznych mas lejnych na bazie krzemianu cyrkonu i krzemionki koloidalnej wykorzystywanych do produkcji form odlewniczych do odlewania precyzyjnego krytycznych elementów turbin silników lotniczych I.8. Mikrostruktura i właściwości mechaniczne stopów magnezu z dodatkiem pierwiastków ziem rzadkich i strontu odlewanych ciśnieniowo metodą gorącokomorową I.9. Termodynamiczna ocena przydatności cyrkonianu wapnia jako materiału na tygle do topienia nadstopów na bazie kobaltu i niklu II. Odlewy spełniające wysokie wymagania eksploatacyjne, w tym o kontrolowanej nanostrukturze, poddane obróbce powierzchniowej, gradientowe i warstwowe II.1. Opracowanie technologii wytwarzania na drodze odlewniczej implantów o specjalnie rozwiniętej geometrii powierzchni II.2. Kształtowanie geometrii i mikrostruktury warstwy wierzchniej tytanowych endoprotez metodami odlewniczymi II.3. Opracowanie technologii wytwarzania porowatych kształtek z ceramiki tlenkowej o zadanej strukturze, w tym gradientowej II.4. Kształtki z ceramiki o osnowie azotków i węglików o zadanej strukturze, w tym gradientowej II.5. Wytwarzanie gęstych spieków azotkowych i węglikowych II.6. Próby technologiczne infiltracji ciśnieniowej preform ceramicznych II.7. Podstawowe parametry wykonywania odlewów staliwnych z powierzchniową warstwą kompozytową II.8. Opracowanie technologii nakładania warstw wierzchnich z nanofazowych materiałów proszkowych dla wytypowanych części konstrukcyjnych II.9. Technologiczne aspekty badań płynięcia i krzepnięcia kompozytów z cząstkami II.10. Właściwości tribologiczne kompozytów AK12-SiC, AK12-C i AK12-SiC/C II.11. Zwilżalność i reaktywność MgAl 2 O 4 w kontakcie z ciekłym aluminium II.12. Optymalizacja ciśnieniowego odlewania kompozytów na osnowie stopu Al z cząstkami węglika krzemu II.13. Wybrane charakterystyki materiałowe nowoczesnych tworzyw z przeznaczeniem dla przemysłu motoryzacyjnego

5 II.14. Wpływ parametrów wytwarzania i homogenizacji na właściwości zawiesiny i kompozytów AK12-C, AK12-SiC/C, AK12-SiC II.15. Próby odlewania materiałów kompozytowych na bazie stopów aluminium z wykorzystaniem metody odlewania tiksotropowego II.16. Mikrostruktura staliwa CrMn odlewanego pod nadciśnieniem argonu i azotu II.17. Badania podstawowych warunków i parametrów obróbki odlewów, w tym kompozytów metalowych II.18. Analiza warunków recyklingu odlewów i odpadów kompozytowych III. Inteligentne procesy prognozująco-wytwórcze w zakresie wytwarzania odlewów III.1. III.2. III.3. III.4. III.5. System uczący się wykorzystujący sieci neuronowe, przeznaczony do wykrywania możliwych przyczyn wad w odlewach na podstawie parametrów procesu produkcyjnego Zastosowanie inteligentnych metod komputerowych do analizy obrazów mikrostruktury żeliwa sferoidalnego w celu oceny właściwości użytkowych wyrobów Ekspertowy, dostępny sieciowo, system wspomagania procesów odlewniczych w obszarze diagnostyki oraz podejmowania decyzji, dostosowany do nowych technologii Problem ujęcia zmienności zastępczych właściwości termofizycznych w modelowaniu i symulacji na przykłądzie otulin i zasypek na nadlewy Kompleksowa baza danych właściwości termofizycznych metali, stopów oraz materiałów formierskich i ceramicznych IV. Nowoczesne techniki nagrzewania i topienia IV.1. Otrzymywanie stopów TiFeNi metodą elektromagnetycznej lewitacji i ich charakterystyka mikrostrukturalna IV.2. Metalurgia pod ciśnieniem Indeks autorów

6 Wstęp

7 Mimo wieloletnich starań odlewników, ciągle jeszcze nie jest powszechnie znany fakt, że nawet do 90% wszystkich dóbr i artykułów przemysłowych zawiera odlewy. W wielu urządzeniach - z punktu widzenia ich jakości, walorów eksploatacyjnych, żywotności, często masy - właśnie części odlewane mają ważne, a czasami decydujące znaczenie. Posłużmy się przykładem. Tempo dnia dzisiejszego sprawia, że już praktycznie każdy z nas nie może obejść się bez indywidualnych środków transportu. A przecież już ponad 56% odbiorców produkcji odlewniczej stanowi przemysł samochodowy, siła napędowa gospodarki w wielu regionach świata. Zaiste trudna do wyobrażenia byłaby droga rozwoju cywilizacji, gdyby nie narodziny odlewnictwa. I chociaż brzmi to nieco anegdotycznie, a dla niektórych może i cokolwiek trywialnie, ale to właśnie odlewnicy wykonują jeden z najstarszych zawodów świata i mało tego - są z tego faktu oraz okoliczności towarzyszących wytwarzaniu odlewów na przestrzeni wieków niezmiernie usatysfakcjonowani i dumni Dzisiaj bardzo często w wielu znaczących europejskich i światowych programach naukowych i badawczo-rozwojowych, priorytetami badawczymi w zakresie rozwoju techniki są kierunki związane z grupami tematycznymi uznawanymi za supernowoczesne i atrakcyjne (vide często cytowana tetrada INFO-BIO-NANO-TECHNO). Tymczasem, ku niewątpliwej satysfakcji środowiska odlewniczego, dotychczasowe doświadczenia, zwłaszcza roku ostatniego, wymownie wskazują na zaprawdę wielki come back sposobów wytwarzania określanych mianem technologii tradycyjnych, w tym zwłaszcza odlewnictwa. Przejawia się to nie tylko boomem (oby stabilnym i długotrwałym) tempa wzrostu produkcji odlewniczej (aktualnej i prognozowanej) oraz prawdziwym rozkwitem wielu tworzyw odlewniczych. Odnosi się to do materiałów zarówno istniejących (w nowej zmienionej formule), jak i nowych. Koleżanki i Koledzy, uczestniczący w wielu międzynarodowych przedsięwzięciach naukowobadawczych, sygnalizują ponadto zauważalny zwrot tematyczny i merytoryczny ku kierunkom poznawczym, mającym u podłoża opanowanie syntezy tworzyw i wytwarzania konkretnych, niekiedy niezmiernie wysublimowanych, ale precyzyjnie określonych przez geometrię przestrzenną i kompleks zadanych właściwości, wyrobów uzyskiwanych metalurgią ciekło-fazową, najchętniej do postaci praktycznie gotowego wyrobu, nie wymagającego dalszej obróbki, wykańczającej czy ubytkowej (odlewy typu near net shape). Nic więc dziwnego, że z tak wielkim pietyzmem podchodzi się do umiejętności coraz lepszego i szybszego urealnienia pomysłów, idei oraz projektów do postaci realnego produktu, służącego stricte określonym celom. Taki sposób postępowania nosi miano szybkiego prototypowania z tym, że i prototypowanie już ma być pewną rutyną, a szybkie oznaczać tyle co błyskawiczne, liczone w zamyśle od pomysłu do wyrobu czasem realizacji już nie tylko w dniach, ale godzinach, a nawet w minutach. Powyższe konstatacje jakże dobitnie przekonują raz jeszcze, jak potrzebna i słuszna była decyzja o przygotowaniu, zatwierdzeniu i rozpoczęciu realizacji projektu badawczego zamawianego PBZ-KBN- 114/T08/2004 pod nazwą Nowoczesne tworzywa i procesy technologiczne w odlewnictwie. Wielokrotnie już animatorzy projektu wyrażali w tym względzie głęboką wdzięczność pomysłodawcom, wykonawcom, partnerom i decydentom. W dniach października 2006 roku odbyło się w Krakowie I Sympozjum Naukowe pt.: Innowacje w Odlewnictwie, zorganizowane w celu odbioru sprawozdań z realizacji I etapu prac, wykonywanych w ramach danego projektu. Kolejne, II Sympozjum Naukowe, odbyło się w dniach 9 12 października 2007 roku na ziemi powiatu gorlickiego w Wysowej, miejscu niezwykłym i rzec można magicznym, słynącym z wielokulturowego współistnienia i tolerancji. Było to spotkanie niezmiernie ważne i kluczowe, albowiem odbywające się praktycznie po połowie okresu realizacji, w trakcie którego przedstawiciele 13 wiodących jednostek uczelnianych, instytutowych i akademickich przedstawili pod ocenę postępy prac z zakresu przyjętych prawie 40-stu zadań badawczych. Proponowana Czytelnikowi druga część tryptyku odlewniczego stanowi właśnie monograficzne pokłosie odbytej w Wysowej rundy sprawozdawczej projektu PBZ-KBN-114/T08/2004. Podobnie jak w tomie pierwszym, w danym opracowaniu układ treści adekwatnie odzwierciedla realizowane w projekcie zadania badawcze. Novum stanowi zauważalna progresja bezprecedensowych wyników badań tworzyw metalowych w podwyższonej i wysokiej temperaturze z jednej strony i zwiększona populacja prac, wykorzystujących możliwości współpracy z podmiotami gospodarczymi. Na danym etapie realizacji projektu wiele wyników badań już weryfikowano w warunkach przemysłowych. Rozpoznawalne są również, szczególnie ku wielkiej satysfakcji kierownika projektu, elementy konsolidacji branży, przejawiającej się chociażby w interdyscyplinarności zespołów wykonawczych, co już teraz skutkuje wzrostem liczby opracowań noszących charakter ujęć analitycznych o charakterze poznawczotechnologicznym. 11

8 Proszę mi pozwolić w zakończeniu, w ślad za często artykułowaną myślą uczestników II Sympozjum Naukowego w Wysowej, wyrazić nadzieję, iż pomyślna realizacja całego projektu Nowoczesne tworzywa i procesy technologiczne w odlewnictwie przyczyni się w odczuwalnym stopniu do radykalnej zmiany sposobu traktowania odlewnictwa, zwłaszcza w realiach naszego kraju, jako rzeczywiście jednej z najważniejszych metod kreacji nowoczesnych części mechanizmów i urządzeń oraz podniesienia jego rangi do należnej, historycznie i merytorycznie umotywowanej pozycji inspiratora postępu w obszarze konstrukcji i technologii budowy maszyn, a także szeroko pojmowanej inżynierii materiałowej oraz wytwórczej. Czego od serca Czytelnikowi i sobie życzę Jerzy Sobczak Kierownik PBZ-KBN-114/T08/