Gjutningsanalys Flashcards
Simulering av strömning har visat att turbulent fyllning av gjutformen bör undvikas. Hur görs detta på bästa sätt?
Det görs främst genom att begränsa fallhöjd och strömingshastighet. Följande tummregler kan appliceras:
- Undvik fritt fall från mer än 15mm
- Strömninghastigheten får inte överskrida 0.5m/s för stål, gjutjärn och aluminium
Konsol i gjuten aluminium (200118) (6p)
En allvarlig olycka inträffade för några år sedan när en konsol i en rulltrappa kollapsade på grund av dålig kvalitet i konsol som bär steget. Konsolen är gjuten i aluminium. Efter det har konstruktionen ändrats, men det är fortfarande viktigt att kontrollera kvaliteten.
a) Bilder på defekter som man hittat i en del av konsolen med större godstjocklek visar tydligt på stora porösa håligheter i strukturens inre. Vad är det här troligtvis för typ av defekter och varför har de bildats? (2p)
b) Beskriv tre typer av åtgärder kan man vidta för att förbättra gjutkvaliteten! (3p)
c) Konsolen är sandgjuten trots att aluminium kan gjutas i permanenta formar med bra kvalitet. Vilka fördelar har sandgjutning? (1p)
a) Bilderna visar förmodligen mikrosugningar eller sugningsporer.
De uppstår främst för att metallen krymper när den stelnar. Eftersom smalare sektioner i komponenten ofta kyls snabbare i formen kan de då stelna först. Därefter kan ny smälta inte flyta fram till de tjockare delarna när de stelnar. Smältan räcker alltså inte till att fylla formen med stelnad metall pga densitetskillnaden mellan smälta och stelnad metall. Det kan även leda till sjunkningar i komponentens yta.
b) Man kan konstruera om komponenten så att den får en jämnare godstjocklek. Man kan ändra gjutsystemet så att smältan fylls på i den tjockare delen som stelnar sist, eller så att stelningen riktas från den ”bortre” delen av komponenten mot inloppet. Man kan komplettera gjutsystemet med en matare nära den tjocka delen av komponenten. Mataren fylls av smälta när formen fylls och förblir i smält fas när de smalare sektionerna stelnar eftersom mataren är relativt tjockväggig. Smälta kan sedan rinna tillbaka från mataren till formen när den tjockare delen av komponenten stelnar. När man utformat någon av dessa ändringar kan man simulera avgjutning och stelning för att säkerställa att det fungerar.
c) Sandgjutning har framför allt en relativt låg formkostnad och är lämplig när det inte är så stora seriestorlekar.
Konsol i gjuten aluminium (210116) (6p)
En konsol är gjuten i aluminium. På konsolens insida hålls strukturen ihop av ett antal ribbor i en relativt komplex formation. I andra änden av konsolen kan man se stora platta insjunkningar längs med kortsidan. Konsolen tillverkas i serier om ca 100 000 st.
a) Vilken gjutmetod har man använt för att gjuta konsolen?
Insjunkningarna är en del av motiveringen, vad beror de på? (2p)
b) Ribborna förstyvar komponenten, men de kan också vara bra för gjutprocessen. Hur kan de hjälpa till att ge en bra kvalitet hos gjutgodset? (3p)
c) Det finns en risk att det bildas defekter i det tjocka godset. Vilken typ av defekter skulle kunna bildas? Motivera kort! (1,5 p)
d) Om konsolen tillverkades i gjutjärn istället skulle risken för defekter i det tjocka godset minska, även om den inte försvinner. Varför minskar risken? (1p)
(Se bild från: “MPR095 Tenta 2021-01-16.pdf”)
a) Aluminium har en låg smälttemperatur och lämpar sig för kokillgjutning i en permanent form, speciellt vid stora serier. Intrycken kommer från utstötare som använts för att trycka
ut detaljen ur formen efter avgjutning.
b) Ribborna hjälper smältan att flyta ut i den tunna ytan mellan dem och fylla formen innan smältan stelnar.
c) Smältan krymper vid stelningen och i tjocka partier finns det en stor risk för krympporer eller sugningar om det inte finns smälta som kan fylla på när det stelnar , makro- eller mikrosugningar. I gjutet aluminium kan det också bildas gasporer, men det beror mer på hur smältan behandlas och är inte så kopplat till tjockt gods.
d) När gjutjärn stelnar sker en expansion då grafiten bildas som kompenserar för krympningen av metallfasen. Som helhet blir krympningen mycket mindre.
Även denna fråga gäller den rostiga cykeln på Rännvägen, men frågan har inget med korrosion att göra. Nu gäller det en gjuten arm som ingår i bromsen på framhjulet. Den är gjuten i aluminium med relativt släta ytor och jämn godstjocklek samt några hål. Möjligen kan det krävas en kärna i formen. Vi kan anta en seriestorlek på 50.000 komponenter.
a) Vilken gjutmetod skulle du använda för att tillverka den
här komponenten? Motivera ordentligt och beskriv metoden! (3p)
b) Om du skall tillverka en mindre provserie på 200 komponenter med en snarlik geometri, och som i övrigt skall vara så lik som möjligt, vilken metod skulle du då använda? Motivera! (2p)
c) Beskriv kort skillnaden mellan en aluminiumlegering för gjutning och smidd (vanlig) aluminium! (1p)
a) För att få hög ytjämnhet behöver bromsdetaljen gjutas i en permanent form vilket också är rimligt ur kostnadssynpunkt med den här seriestorleken. Aluminium har en låg smältpunkt jämfört med t.ex. gjutjärn vilket också gör att permanenta formar (kokill) fungerar bra. Tekniken kan vara gravitationsgjutning, lågtryckskokill eller pressgjutning. Pressgjutning är bra när man har tunnväggigt gods. Squeez casting är mest för att få defekter i mer tjockväggigt gods och inte så troligt. Vald teknik skall beskrivas. (3p)
b) Det blir dyrt att göra en permanent form med en så liten seriestorlek och sandgjutning ger mer ojämna ytor. Vaxursmältning/precisionsgjutning använder en modell i vax som inte är alltför dyr vid små seriestorlekar och ger samtidigt en hög ytjämnhet. (2p)
c) Aluminium som skall gjutas är alltid legerad med Si (kisel) upp mot den eutektiska sammansättningen med 12% Si. Det ger ett partikelhärdat eutektikum. Dessa gjutna legeringar har sämre duktilitet än smidd aluminium. (1p)
Gjutjärn och gjutning av aluminium (230114) (6p)
a) När man gjuter en järnbaslegering så använder man nästan alltid gjutjärn och inte gjutstål. Det beror inte på att legeringen i sig har bättre egenskaper utan på att man har lättare att få en bra produkt just vid gjutning. Vad är gjutjärn och vad är det hos gjutjärn som gör att det får en bra gjutbarhet? Du kan behöva diskutera sammansättning, stelnande struktur och annat, men du behöver inte diskutera olika typer av gjutjärn. (2p)
b) En utmaning när man gjuter aluminium är att det lätt bildas porer i materialet. Det motverkar man genom att:
- Ta fram och hantera smältan
- Utforma gjutformen därefter
- Använda speciella gjutmetoder som skall ge aluminium med bra kvalitet
Beskriv var för sig vad man gör ur dessa tre aspekter för att minska risken för porer när man gjuter aluminium. (4p)
a) Gjutjärn är en legering med Fe, närmare 4% C och ca 2 % Si. Kisel stabiliserar feritfasen och gör så att grafit kan bildas i stället för en mycket stor andel spröd cementit. Grafit har en lägre densitet än järnet och när det bildas blir det en kompensation för krympningen hos stelnande ferrit vilket gör att legeringen som helhet inte krymper så mycket och inte bildar så mycket porer. Kolhalten sänker smälttemperaturen jämfört med stål så smältan blir lättare att hantera. Smältan har en låg viskositet och inte alltför lätt att bilda besvärliga oxider. Olika typer av gjutjärn har olika fördelning av grafit i strukturen som t.ex. fjäll eller noduler.
b) När man skall ta fram en aluminiumsmälta är det viktigt att hålla den fri från vatten och luft. Det Al som skall smältas får gärna förvaras varmt. När det är smält pumpas det genom ledningar fram till gjutformen utan turbulens eller kontakt med luft. Skyddsgas i slutna ugnar är också bra. Gjutformen skall som alltid utformas så att smältan inte blandas med luft i nedlopp eller gjutkanaler, alltså avsmalnande nedlopp och en begränsad flödeshastighet. Man kan kompensera för krympning med matare på lämpliga ställen. Lågtryckskokill och squeeze casting är exempel på gjutmetoder där smältan trycks upp i gjutformen underifrån med kontrollerad flödeshastighet och med ett visst tryck för att motverka porbildning under stelnandet.
Gjutning under tryck, samt defekter (240113) (6p)
a) När man gjuter aluminium är det vanligt att ha tryck på smälta, men det gör man på olika sätt och med delvis olika syften med olika gjutmetoder. Beskriv kort tre gjutmetoder som används för att gjuta aluminium under tryck och förklara skillnaderna i hur och varför man använder tryck under gjutningen. (4,5p)
b) Förklara skillnaden mellan en gasporositet och en sugningsporositet, både vad gäller hur de uppstår och hur de ser ut. (1,5p)
a) Lågtryckskokill. En sluten skänk med smälta sätts under tryck så att smältan med kontrollerad hastighet trycks upp i smältan. Det kontrollerade flödet begränsar inblandning av gas och oxider i smältan. Squeeze casting. Efter att smältan tryckts upp i formen bibehålls trycket under tiden den stelnar för att minimera porositeter i gjutgodset. Pressgjutning. Smältan trycks med ett snabbt skott in i formen så den kan fylla formens alla delar utan att stelnad smälta blockerar flödet. Kan gjuta tunnväggigt gods.
b) En gasporositet bildas eftersom lösligheten för många gaser är lägre i fast fas än i smältan. Allt eftersom det stelnar ökar halten löst gas i smältan tills lösligheten överskrids. Då bildas runda gasbubblor som blir runda porer när det stelnat. En sugningsporositet bildas om det inte kan tillföras mer smälta under stelnandet eftersom metallens densiteten är lägre i fast fas än i smälta. Det kan bli en makroporositet som är en större sammanhängande hålighet i komponenten eller en mikroporositet med många små hål i en
oregelbunden struktur. Den stelnande metallen bildar dendriter, och det är tvärsnittet genom dendriterna som ser oregelbundet ut.
Propeller (240405) (7 p)
En propeller är gjuten i aluminium och är ca 35 cm i diameter. Propellerbladen är ca 1 cm tjocka närmast navet. Navet är utformat som två rör med några ekrar emellan. Godstjockleken är ca 6-8 mm i stora delar av propellern utom längst ut på bladen där det är tunnare gods och närmast navet där det är tjockare. Alla ytor skall vara släta för att den skall arbeta effektivt i vattnet. Ett av propellerbladen har brutits av när båten var i drift. En utredning visade att det berodde på en försvagning i materialet.
Beskriv två olika gjuttekniker som bägge skall ge propellern lämpliga egenskaper.
a) Diskutera vad som kan påverka tillverkarens val mellan de här två teknikerna. I vilka situationer eller av vilka andra skäl skulle man välja den ena eller andra tekniken. (5 p)
b) När man gjuter aluminium finns det flera typer av defekter som kan bildas i materialet. Beskriv kort tre defekter och vad man kan göra för att motverka att de bildas (2 p)
a)
Det finns flera tekniker som är tänkbara. Det bildas lätt både krymp- och gasporer vid gjutning av aluminium vilket påverkar valet.
- Precisionsgjutning ger en jämn yta och kan vara lämpligt om det är en liten seriestorlek eftersom man slipper kostnaden för en permanent form.
- Lågtryckskokill och squeeze casting är bägge metoder som motverkar att det bildas porer i materialet genom att kontrollera flödeshastigheten under fyllningen och, framför allt för squeeze casting, hålla ett tryck på komponenten under stelnandet. Däremot bör det vara större seriestorlekar eftersom formen blir dyrare.
- Pressgjutning kan fungera, men det kan vara svårt att undvika porbildning.
- Mindre lämpliga metoder är sandgjutning som ger en skrovlig yta och gravitationsgjutning som har lättare att ge turbulent flöde under fyllningen.
b)
- Gasporositeter bildas eftersom lösligheten för t.ex. väte minskar med temperaturen i smältan, och från smält till fast fas. Vätet kan komma från fukt vid förvaring och andra gaser från inblandning av luft under fyllning. Torr förvaring av tackor och pumpning av smälta samt fyllning av formen utan turbulens motverkar.
- Krympporer kan bildas eftersom den stelnade metallens densitet är lägre än smältan,
speciellt om gjutsystemet inte kan mata smält metall till de delar som stelnar sist. Motverkas med simulering av stelnandet för att få ett bra gjutsystem samt t.ex. placering av matare i formen. - Föroreningselement som t.ex. Fe och Mn kan bilda försprödande partiklar i strukturen som försämrar de mekaniska egenskaperna. Det krävs en noggrann sortering av skrot när man tar fram smältan för att hålla nere halten av föroreningar.
Gjutfrågor (240826) (6 p)
a) Gjutna komponenter behöver nästan alltid utformas med en släppning. Vad är en släppning och varför behövs den? (2 p)
b) Beskriv en gjutmetod där produkten inte behöver ha några släppningar! OBS! Du skall beskriva metodens alla steg, inte bara varför den inte behöver några
släppningar. (2 p)
c) Aluminiumlegeringar för gjutning skiljer sig från aluminium i smidda produkter på några sätt. Beskriv kort vad som karaktäriserar aluminiumlegeringar till gjutna komponenter, t.ex. typisk sammansättning, struktur och något om egenskaper! (2 p)
a) Släppning är en vinkel på ytan som gör att en sandform kan dras ur en modell, eller gjutgods ur en permanent form.
b) Vaxursmältning/precisionsgjutning kan göras utan smältning. Ett träd med modeller i vax doppas i en slurry som härdas till en keramisk form. Det smälta vaxet tappas ur formen innan metalsmältan slås i. Efter gjutning slås formen sönder. Inte i något skede drar man isär modell/form/komponent så därför behövs ingen släppning.
c) Aluminium som skall gjutas är legerat med Si i en smälta med nära eutektisk sammansättning stelnar med ett litet stelningsintervall. Små Si-partiklar i en eutektisk struktur bidrar till hållfastheten, men materialet har sämre duktilitet än smitt Al. Föroreningar kan bilda spröda inneslutningar så återvunnet skrot måste sorteras noggrant.
