Wat zijn de mogelijkheden van thermoplastische verwerking van metalen legeringen voor speciale toepassingen?

De thermoplastische verwerking van metalen legeringen, vooral die met een hoge hittebestendigheid, plasticiteit en taaiheid, vormt een cruciaal aspect in de ontwikkeling van moderne technologieën voor het vervaardigen van geavanceerde materialen. De toenemende vraag naar hogeprestatiematerialen heeft geleid tot voortdurende verbeteringen in de methoden voor thermomechanische verwerking van metalen, waarbij het belang van het verminderen van de korrelgrootte in legeringen steeds meer naar voren komt. Het verlagen van de korrelgrootte tot een niveau van ongeveer 10 μm kan de plasticiteit bij kamertemperatuur verbeteren, maar tegelijkertijd verplaatst het de overgangstemperatuur van bros- naar taai-vormend gedrag, wat gevolgen heeft voor de bruikbaarheid van dergelijke materialen bij hogere temperaturen.

De productie van speciale legeringen voor hogetemperatuurtoepassingen vereist een gedetailleerd begrip van de structurele en mechanische eigenschappen van de materialen onder verschillende verwerkingsomstandigheden. Dit proces vraagt om de ontwikkeling van technologieën die de homogene verdeling van elementen in het materiaal waarborgen, terwijl tegelijkertijd de benodigde eigenschappen van de legeringen behouden blijven. Wetenschappers, waaronder de vooraanstaande onderzoekers V. M. Imaiev en G. Clemens, hebben vastgesteld dat thermoplastische verwerkingsmethoden veelbelovend kunnen zijn voor het verbeteren van de eigenschappen van intermetallische legeringen, die van nature moeilijk te vervormen zijn.

Een belangrijk aspect van thermoplastische verwerking is het gebruik van poedertechnologieën voor de productie van halffabrikaten, bijvoorbeeld van γ-TiAl legeringen. Deze technologieën hebben echter hun beperkingen, zoals de aanwezigheid van chemische segregatie en porositeit in de uiteindelijke materialen. Daarom zijn aanvullende technologieën nodig om deze gebreken te elimineren en de kwaliteit van de producten te waarborgen. Een van de veelbelovende methoden om deze problemen op te lossen, is het gebruik van thermochemisch persen, een proces waarbij niet alleen de korrelgrootte van het materiaal wordt verkleind, maar ook de homogeniteit van de legering wordt vergroot.

Thermochemisch persen maakt gebruik van hoge temperatuur en druk om de korrelstructuur van een intermetallische legering te verbeteren door middel van plastische vervorming tijdens het sinterproces. Dit leidt tot een verfijning van de korrels en vermindert de aanwezigheid van defecten zoals korrelgrenzen en twijnkorrelgrenzen, die de mechanische eigenschappen van de legering nadelig kunnen beïnvloeden. Door de temperatuur van de vervorming te verhogen en de korrelgrootte te verkleinen, verandert de aard van de vervorming en neemt de plastische vervormbaarheid toe, wat de bruikbaarheid van de legering in geavanceerde toepassingen verbetert.

Deze benadering van thermoplastische verwerking stelt niet alleen de technoloog in staat om legeringen te verbeteren voor specifieke toepassingen, maar biedt ook kansen voor de productie van materialen met betere mechanische eigenschappen, zoals verhoogde breuktaaiheid en hogere vermoeiingsweerstand. Het vergroten van de homogene verdeling van de elementen in de legering door thermochemisch persen kan niet alleen de prestaties van het materiaal verbeteren, maar ook de kosten van de productie van hoogwaardige metalen halffabrikaten verlagen.

Het ontwikkelen van een geïntegreerde benadering van thermoplastische verwerking vereist echter een dieper inzicht in de interactie tussen de verschillende fysische eigenschappen van de materialen, zoals hun thermische en mechanische reacties onder druk. Dit vraagt om uitgebreide theoretische studies en gedetailleerde experimenten die zich richten op de bepaling van de optimale verwerkingsomstandigheden. Er is bijvoorbeeld een constante zoektocht naar de juiste balans tussen de verwerkingsparameters, zoals temperatuur, druk en snelheid van vervorming, om de gewenste eigenschappen van het eindproduct te bereiken.

Naast het verkrijgen van fijne korrelstructuren is het belangrijk om ook de invloed van microstructuureigenschappen op de mechanische prestaties van de materialen te begrijpen. De complexiteit van de deformatieprocessen, zoals de rol van dislocaties en de interactie met korrelgrenzen, is van groot belang bij het verbeteren van de prestaties van legeringen. Daarom moet men, naast de thermomechanische behandelingen, ook de rol van de materialen in specifieke toepassingsscenario’s evalueren, zoals in de lucht- en ruimtevaartindustrie, de energieproductie en de productie van geavanceerde voertuigen.

Het proces van thermoplastische verwerking van metalen is daarmee een veelzijdig onderzoeksgebied, dat niet alleen technologische voordelen biedt voor de productie van materialen, maar ook wetenschappelijke uitdagingen aan het licht brengt die betrekking hebben op de basisprincipes van de materiaalkunde. Het voortdurend verbeteren van deze verwerkingsmethoden zal een cruciale rol spelen bij de ontwikkeling van nieuwe legeringen met verbeterde eigenschappen voor een breed scala aan industriële toepassingen.

Hoe de temperatuur en spanning tijdens de warme walsbehandeling de korrelstructuur van staal beïnvloeden: Resultaten van fysische modellering

Tijdens het walsen in de eerste stand van de voorgestelde walsmolen worden de spankrachten (Г) en de spanning (σi) in de beginmomenten van het proces geconcentreerd in de gebieden waar het metaal door de walsrollen wordt vastgegrepen. Naarmate de compressie toeneemt, verschuiven deze spankrachten van het oppervlak naar het centrum en de randen van het vervormde werkstuk. In de volgende walsstanden van de afwerkingsgroep worden de deformaties zodanig geregeld dat de concentratie van de vervormingsintensiteit langzaam van het centrum naar het midden van de strip beweegt en vervolgens naar de contactzone van de wals met het gewalste werkstuk. Dit zorgt voor een meer uniforme verdeling van zowel de totale spanning als de vervormingsintensiteit langs het deformatiecentrum.

Het meest uniforme resultaat wordt bereikt bij het walsen met een enkele reductie in de eerste stand van 38–45%, in de tweede stand van 35–40%, in de derde stand van 33–38%, in de vierde stand van 28–30%, in de vijfde stand van 22–25% en in de zesde stand van 11–14%. Gedurende het walsproces in de eerste stand daalt de temperatuur in de contactzones van het hete metaal en de walsen. Het verdere walsen in de latere standen maakt het mogelijk de temperatuur te egaliseren over het deformatiecentrum door de vrijgekomen deformatie- en wrijvingswarmte.

De verkregen gegevens over de verdeling van de vervormingsintensiteit en spanning leiden tot een afhankelijkheid van de verandering in de korrelgrootte van het staal 10HFTBch in relatie tot de deformatieparameters. Zo blijkt dat na het walsen in de eerste stand de structuur in het centrum van de strip fijnkorrelig is, met een korrelgrootte van 70–85 μm, terwijl in de oppervlaktelagen van de strip de korrelgrootte grover is, 130–145 μm. Het verdere walsen in de afwerkingsgroepen leidt tot een gelijkmatiger verdeling van de korrelgrootte, met een gemiddelde waarde van 55–65 μm over de gehele sectie van de gewalste strip.

De temperatuurverlaging tijdens het walsen naar 850 °C heeft een verfijningseffect op de ferrietkorrel en vermindert de grootte van de perlietkolonies. De gemiddelde ferrietkorrelgrootte voor staal gewalst bij 900 °C was ongeveer 45–50 μm, terwijl deze bij 850 °C daalde tot ongeveer 30–36 μm. De verhouding tussen de structurele componenten onder de gekozen deformatieomstandigheden is ongeveer 80% ferriet en 20% perliet.

De experimenten bevestigen deze simulaties, waarbij staalmonsters gewalst werden onder verschillende temperatuuromstandigheden, wat resulteerde in variaties in de korrelgrootte door de gewalste sectie. Zo laat de microstructuur van staalmonsters gewalst bij verschillende temperaturen duidelijk de invloed van de temperatuur op de deformatiezone zien. Het blijkt dat lagere vervormingstemperaturen leiden tot een kleinere recrystallisatiekorrel van de austeniet, wat op zijn beurt de ferrietkorrel verfijnt.

Een belangrijke factor in het voorkomen van de groei van ferrietkorrels in het ferrietgebied is de koeling van het staal in de wals. Voor staal 10HFTBch wordt een eindtemperatuur van 850 °C aan het einde van het walsen aanbevolen, met een begin van versnelde koeling bij 750 °C en een striptemperatuur van 600 °C tijdens het walsen.

Het mechanische gedrag van het staal na het walsen wordt gekarakteriseerd door treksterkte, impactsterkte en rekbaarheid. Bij een eindtemperatuur van 850 °C werden treksterktes van 540–560 MPa behaald, met een impactsterkte van 0,80–0,85 MJ/m2 en een rek van 25–29%. Het verlagen van de deformatie temperatuur kan de sterkte verhogen, maar dit gaat gepaard met een merkbare afname van de plasticiteit en taaiheid van het materiaal.

De toepassing van simulaties en fysische modellering in het programma Deform-3D maakt het mogelijk om de energie- en krachtparameters van het walsproces in de afwerkingsgroep van de molen te bestuderen. De simulaties bieden waardevolle inzichten in de deformaties die plaatsvinden bij verschillende temperatuurinstellingen en belastingomstandigheden. Door gebruik te maken van variabele parameters zoals temperatuur, vervormingsgraad en verhoudingen van austenietkorrelgrootte kunnen nauwkeurige voorspellingen worden gedaan over het verloop van de deformatie en de resulterende microstructuur.

De praktische toepassing van deze kennis kan bijdragen aan het verbeteren van de prestaties en de efficiëntie van walsprocessen in de staalindustrie. Het optimaliseren van de temperatuur- en vervormingsparameters kan niet alleen de mechanische eigenschappen van het staal verbeteren, maar ook bijdragen aan kostenbesparingen door een efficiënter gebruik van energie en materialen.

Hoe de Precisie van het Staalproces te Verbeteren: Een Analyse van Modellen en Thermomechanische Behandeling

In de wereld van de metallurgie, en specifiek in het proces van warmwalsen, is de nauwkeurigheid van berekeningen van de stromingsspanning van het metaal essentieel voor het verbeteren van de productkwaliteit en het verminderen van verliezen. De stromingsspanning van staal is afhankelijk van verschillende factoren zoals temperatuur, snelheid van vervorming, en de relatieve compressie, die allemaal moeten worden meegenomen in de modellen voor voorspelling van de mechanische eigenschappen van het materiaal.

Verschillende wetenschappers hebben geprobeerd om zulke modellen te ontwikkelen om de stromingsspanning van staal nauwkeuriger te berekenen. Een van de bekendste modellen is dat van L. Andreyuk en G. Tyulenieva (1.19), dat specifiek is ontworpen voor koolstof- en legeringsstaal. Dit model heeft praktische waarde voor 66 verschillende staalsoorten, waaronder speciale staalsoorten, en werkt binnen een temperatuurbereik van 800–1300 °C. De formule heeft echter een marge van fout van 4%, wat in de praktijk van het warmwalsen resulteert in een afwijking in de voorspelling van de werkelijke stroomspanning van het staal. Ondanks de populariteit van dit model is een significant nadeel de veroudering van de chemische samenstelling van de staalsoorten, aangezien de meeste tests zijn uitgevoerd op staal dat dateert uit de jaren 60-80 van de 20e eeuw. De inhoud van legeringselementen in deze staalsoorten was op de bovenste grens van de norm, maar in de moderne productie wordt vaak geprobeerd om het percentage legeringselementen te minimaliseren. Dit creëert een discrepantie tussen de theoretische berekeningen en de werkelijke productieomstandigheden.

Om deze reden is er behoefte aan geavanceerdere modellen die rekening houden met de actuele chemische samenstelling van het staal, zoals de modellen van V. Nikolaev. De formule van Nikolaev (1.20) houdt rekening met de invloeden van temperatuur, relatieve compressie en vervormingssnelheid, en is toepasbaar voor een breder scala aan staalsoorten. Dit model blijkt tot een relatieve fout van slechts 14,5% te leiden, wat het een betrouwbaarder instrument maakt dan de modellen van Andreyuk en Tyulenieva, waarvoor de gemiddelde fout tot 21,2% kan oplopen. Dit benadrukt de noodzaak om voortdurend te vernieuwen en te verbeteren bij het ontwerpen van modellen voor de stromingsspanning van staal in de moderne industrie.

Naast de verbeteringen in de rekenmodellen voor stromingsspanning is er in de staalindustrie een grote belangstelling voor thermomechanische behandeling (TMT), vooral voor de verbetering van de mechanische eigenschappen van staal. TMT, dat bestaat uit een combinatie van plastische vervorming en gecontroleerde koeling, speelt een sleutelrol in het verhogen van de sterkte van het materiaal zonder de taaiheid te verlagen. Er zijn verschillende soorten TMT-processen, waaronder hoogtemperatuur en laagtemperatuurbehandelingen, die alle invloed hebben op de uiteindelijke structuur van het staal. Hoogtemperatuur-TMT, bijvoorbeeld, maakt het mogelijk om de austenietfase van staal te versterken door deze bij hoge temperaturen te vervormen en vervolgens snel af te koelen. Dit proces verbetert de weerstand tegen brosheid en verhoogt de taaiheid aanzienlijk.

De voordelen van TMT komen voort uit het feit dat de staalstructuur na behandeling een grotere dichtheid van onvolkomenheden vertoont, wat bijdraagt aan de sterkte en taaiheid van het materiaal. Door het gebruik van thermomechanische behandelingen kunnen staalproducten niet alleen hun mechanische eigenschappen verbeteren, maar kunnen ze ook minder energie-intensief worden geproduceerd, wat de productiekosten verlaagt. Bovendien vermindert het gebruik van TMT de noodzaak voor extra warmtebehandeling van het materiaal, wat de algehele efficiëntie van het productieproces verhoogt.

Wat belangrijk is om te begrijpen, is dat de effectiviteit van thermomechanische behandeling en de bijbehorende modellen voor stromingsspanning sterk afhankelijk is van de specifieke samenstelling van het staal. Het is essentieel om de werkelijke chemische samenstelling en de thermische behandelingsomstandigheden van het staal in overweging te nemen om de voorspellingen te verfijnen en het proces verder te optimaliseren. In de praktijk kunnen de rekenmodellen slechts een benadering geven van de werkelijke spanning, en daarom blijft empirisch testen en het gebruik van geavanceerde meetapparatuur noodzakelijk om nauwkeurige gegevens te verkrijgen.