Vyvinutí technologie tváření velmi malých součástí v tixotropním stavu

Abstract

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 austentickými 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