Vyvinutí technologie tváření velmi malých součástí v tixotropním stavu

Ing. David AIŠMAN

Disertační práce

Development of forming technology for very small parts producing in thixotropic state

Anotace:

Pomocí inovativních technologických postupů lze získávat i u konvenčních a léta používaných materiálů atypické struktury se specifickými mechanickými a fyzikálními vlastnosti. Různé technologie tváření v semi-solid stavu představují právě takový dynamicky se rozvíjející obor. Mezi jednu z těchto inovativních metod patří, v rámci této disertační práce, vyvinutý mini-thixoforming. Tato technologie je ojedinělá a doposud nebyla ve světové literatuře nikým popsána. Protože je zaměřena na produkty velmi malých rozměrů, lze při ní, oproti klasickým postupům tixoformingu dosahovat vedle mimořádně strmých gradientů ohřevu i extrémně vysoké rychlosti solidifikace a chlazení. Tyto podmínky pak zásadně ovlivňují vývoj vznikajících struktur a materiálových vlastností. Navíc lze stejně jako u konvenčního tixoformingu dosáhnout tvarově komplikovaných součástí s vysokou přesností, a to pouze v jediném tvářecím kroku. Práce vycházela z literární rešerše, která byla zaměřena v úvodu na problematiku tixotropního chování, jeho podstatu a podmínky vzniku. V následující kapitole jsou nastíněny možnosti simulací a modelování těchto procesů a jejich omezení. Dále byly analyzovány možnosti využití různých materiálů vhodných pro zpracování v semi-solid stavu. Protože byl experiment zaměřen výlučně na zpracování ocelí, jsou v jedné z kapitol podrobně popsány jejich materiálové parametry, které ovlivňují chování materiálu v semi-solid stavu. Jedná se především o vliv jednotlivých chemických prvků na šíři teplotního intervalu pro tixoforming, které determinují vhodnost vybraných materiálů pro zpracování v semi-solid stavu. Další kapitola popisuje základní rozdíl mezi tixo a rheoprocesy a věnuje se přípravě polotovarů a možnostmi jejich ohřevu do semi-solid stavu. V rešerši jsou rovněž stručně popsány principy konkrétních technologií semi-solid zpracování a technické požadavky na nástroje. Závěrečná část je věnována klasifikaci nejčastějších vad, které se vyskytují při semi-solid zpracování. Protože většina dosavadních prací v oblasti semi-solid zpracování byla zaměřena buď na náhradu zápustkového kování, nebo na zpracování polotovarů z nízkotavitelných slitin, byl experimentální program zaměřen na vyvinutí nové technologie pro výrobu malých ocelových součástí tzv. mini-tixoforming. Tím tato technologie otevírá novou oblast zpracování za velmi vysokých teplot. V první fázi vývoje bylo nutno zvolit vhodný experimentální materiál, který splňuje podmínky pro zpracování v semi-solid stavu. Ukázalo se, že vhodným kandidátem může být nástrojová ocel X210Cr12 s vysokým podílem uhlíku a chrómu. Ta byla ve výchozím stavu nejprve analyzována pomocí světelné a elektronové mikroskopie. Kromě toho byly provedeny simulační výpočty v programu ThermoCalc a JMatPro. Tyto výpočty sloužily pro přibližnou predikci chování materiálu v semi-solid stavu. Jednotlivé vypočtené parametry pak byly ověřeny praktickým experimentem při ohřevu na různé teploty a poté i v modelovém procesu s deformací v semi-solid stavu. Na základě pilotního experimentu byla s podporou simulačního software ANSYS navržena dutina formy pro mini-tixoforming. Následoval konstrukční návrh celého zkušebního zařízení. Forma byla vyrobena z titanové slitiny. Po sérii úvodních experimentů, při kterých byly nalezeny a optimalizovány vhodné podmínky procesu, byla dále upravována. Tím byla rozšířena tvarová variabilita výsledných produktů a zlepšena a zjednodušena manipulovatelnost. Těmito úpravami se podařilo dosáhnout celé řady tvarových demonstrátorů s tloušťkou 1,9 mm a délkou 5 - 25 mm. Výsledná struktura po mini-thixoformingu byla tvořena austentický

Anotace:

mi polyedrickými zrny obklopenými jemným karbidickým síťovím. Pomocí RTG difrakce byl podíl austenitu stanoven na 96%. Protože austenitická struktura není u tohoto typu oceli stabilní fází, byla zkoušena i tepelná a mechanická stabilita výsledných struktur. Ta prokázala teplotní stabilitu prakticky až do 500°C. Nad touto teplotou d

Abstract:

Thanks to innovative processing sequences, even conventional materials which have been around for years can be treated so that novel and unconventional microstructures with specific mechanical and physical properties are obtained. This also holds for semi-solid forming, which is a dynamically developing process. One of such innovative methods is the mini-thixoforming process developed in the present dissertation. It is a unique process which has not yet been described by any author. As it focuses on very small products, it offers steep heating curves and extremely high solidification and cooling rates, unlike conventional thixo-forming. These process features have profound impact on the evolution of microstructure and the resulting properties of the product. As in the conventional thixo-forming process, complex-shaped products can be manufactured with high precision using a single forming step. The dissertation draws on a literature search which focuses in its introduction on the thixotropic behaviour, its basis and the conditions for its occurrence. The next chapter outlines the simulation and modelling capabilities and limitations in regard to thixotropic processes. The potential of various materials for semi-solid processing is analysed. As the present experiments were aimed exclusively on the processing of steels, one of the chapters gives detailed descriptions of their characteristics which impact on their behaviour in semi-solid state. These characteristics included namely the effects of various chemical elements on the temperature interval available for thixo-forming, as their effects govern the suitability of the material for semi-solid processing. Another chapter defines the fundamental differences between thixoprocesses and rheoprocesses and deals with the preparation and heating of feedstock to the semi-solid region. The literature search also briefly presents the principles of various semi-solid processing technologies and the requirements for tooling. The final section gives the classification of the most common defects which occur during semi-solid processing. As a majority of studies on semi-solid processing to date have focused on either replacing closed-die forging or processing of feedstock of low-melting alloys, the present experimental programme aimed at developing a new process for manufacturing small parts of steels: mini-thixoforming. This new process opens a new field of high-temperature processing. At the first stage of the development, an experimental material suitable for semi-solid processing had to be chosen. The X210Cr12 tool steel with high carbon and chromium levels was identified as an adequate candidate. Its initial condition was studied using optical and electron microscopy. In addition, simulations in ThermoCalc and JMatPro programs were conducted to predict the behaviour of the material in semi-solid state. The parameters were then verified in trials which involved heating to various temperatures and semi-solid forming. Based on the pilot experiment, the mould cavity for mini-thixoforming was designed with the aid of the ANSYS simulation tool. Then the design of the entire experimental device was developed. The mould was made of a titanium alloy. After the initial trials, during which suitable processing parameters were sought and optimized, the design was updated. It led to an expanded range of final products and to improved and simple handling. Thanks to the changes, a number of shaped demonstration products were obtained with the thickness of 1.9 mm and lengths between 5 and 25 mm. The final mini-thixoformed microstructure consisted of polyhedral austenite grains embedded in fine carbide network. The austenite volume fraction was measured using X-ray diffraction and was found to be 96 %. As austenite is not a stable phase in this type of steel, the thermal and mechanical stability of the resulting microstructure was tested. The structure showed effective thermal stability up to 500 °

Klíčová slova

thixoforming, minini-thixoforming, semi-solid zpracování, X210Cr12, metastabilní austenit, zbytkový austenit

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 29. 8. 2014

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 21. 11. 2014
• Vedoucí: Prof. Dr. Ing. Bohuslav Mašek

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Fakulta strojní

Doktorský studijní program / obor:
Strojní inženýrství / Materiálové inženýrství a strojírenská metalurgie