An analysis of steel viscosity in the solidification temperature range

The main objective of this study was to conduct an analysis of the rheological properties of steel in a semi-solid state. The results were used for the development of mathematical models of the apparent viscosity. Knowledge of the rheological properties is crucial for the numerical modeling of technological processes. Shaping in the semi-solid state, also known as thixoforming processes, is an innovative method of processing metal alloys and has a great many advantages in comparison with classical metal forming and foundry processes. Nowadays, research is conducted with the practical application of this method in steel processing [1,2] as its goal. The most significant achievement of this particular study is the application of a viscometer which was specially designed for material tests executed at extremely high temperatures, such as the measurement of liquid or semi-liquid steel viscosity. This paper presents the results of a rheological analysis of 100Cr6 (PN ŁH15) tool steel. It was performed using a rotational viscometer with a stationary external cup.

Głównym celem pracy była analiza właściwości reologicznych wybranej stali w stanie stało-ciekłym. Otrzymane wyniki zostały wykorzystane do opracowania modelu matematycznego lepkości pozornej. Znajomość własności reologicznych jest konieczna w numerycznym modelowania procesów kształtowania metali. Przeprowadzona w tym przypadku analiza będzie służyć do modelowania procesów formowania stopów żelaza w stanie stało-ciekłym, nazywanych również procesami formowaniem tiksotropowego. Procesy te biorą swoją nazwą od zjawiska tiksotropii jakie zachodzi w trakcie odkształcenia stało-ciekłego metalu. Zjawisko to przejawia się zależnym od czasu zachowaniem materiału, dla którego lepkość pozorna zmniejsza się wraz ze wzrostem czasu odkształcenia oraz ponownie wzrasta do poprzedniej wartości po jego zaprzestaniu i jest wynikiem transformacji, którą można zdefiniować jako odwracalną przemianę żelu (stop, w którym faza stała występuje w postaci spójnego szkieletu zanurzonego w fazie ciekłej) w zol (stop posiadający strukturę globularną), zachodzącą pod wpływem oddziaływania mechanicznego (mieszanie, wstrząsy). W rezultacie następuje zniszczenie przestrzennej sieci żelu, co powoduje jego upłynnienie (spadek lepkości pozornej), czyli przejście w zol. Skutkiem formowania tiksotropowego jest przekształcenie struktury dendrytycznej w strukturę globularną, co ma zasadniczy wpływ na własności mechaniczne wyrobu gotowego. Zasadniczym osiągnięciem tej pracy jest wykorzystanie do pomiaru lepkości stali wiskozymetru, specjalnie zaprojektowanego do badań materiałów w wysokich temperaturach. Analiza reologii stopów żelaza w stanie stało-ciekłym wymaga zastosowania specjalnych wiskozymetrów wyposażonych w piece, których temperatura robocza zawiera się w przedziale od 1000 do 1500°C. Badania przeprowadzono z wykorzystaniem wiskozymetru rotacyjnego z nieruchomym cylindrem zewnętrznym. Testy lepkości zostały poprzedzone doborem odpowiedniego kształtu tygla i wrzeciona oraz materiału, z którego zostały one wykonane, wytrzymującego temperatury ciekłej stali. Podstawowym kryterium doboru kształtu narzędzi było osiągnięcie prędkości odkształcenia postaciowego w zakresie do 20 s-1 w którym w trakcie pomiaru nie występuje zjawisko przepływu turbulentnego. Do pomiarów wykorzystano narzędzia wykonane z Al2O3. W pracy przedstawione zostały wyniki analizy reologicznej stali narzędziowej z gatunku 100Cr6 (PN ŁH15). Wyniki te obejmują zależności lepkości od prędkości odkształcenia postaciowego oraz temperatury. Biorąc pod uwagę sposób przeprowadzenia testów, polegający na równomiernym mieszaniu można założyć, że pomiar lepkości dotyczył stopu, w którym zaszła przemiana tiksotropowa. Przeprowadzone badania pozwalające wyznaczyć własności reologiczne konieczne również do ustalenia wartości podstawowych parametrów technologicznych w procesach kształtowania tiksotropowego. W chwili obecnej prowadzi się szereg badań, których celem jest wdrożenie tej metody w przetwórstwie stopów żelaza. Formowanie tiksotropowe jest nowatorską metodą przetwórstwa stopów metali, posiadającą szereg zalet w porównaniu do klasycznych metod stosowanych w plastycznej przeróbce oraz odlewnictwie.