Это делает его предпочтительным материалом для использования в транспортной и машиностроительной отраслях, которые зависят от устойчивости чугуна к износу, деформации и ржавчине для создания высокопроизводительных мостов, инструментов и деталей двигателя.
Но производственный процесс — это не только наука, но и искусство, он дает хорошие результаты, но не раскрывает весь потенциал чугуна. Споры по-прежнему существуют по поводу корреляции между производственными параметрами литья и желаемыми свойствами. Ограниченные типичными промышленными методами получения двухмерных изображений или трудоемкими лабораторными исследованиями в трехмерном пространстве, исследователи не смогли определить точные параметры обработки, необходимые для получения идеальных свойств для каждой области применения чугуна.
Поиск более простого способа заглянуть вглубь сплава, чтобы получить окончательный ответ, может быть благом для потребителей, а также дать U.S. промышленность конкурентное преимущество. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Scripta Materialia, синхротронное рентгеновское излучение высоких энергий может дать такое понимание.
«Поняв структуру, можно будет разработать сплавы с улучшенными механическими и термическими свойствами.
Это означает, что для таких приложений, как двигатель автомобиля и его компоненты, можно использовать меньше материала и снизить общий вес автомобиля, что приведет к экономии топлива », — сказал Дилип Сингх, руководитель группы термомеханических исследований Центра транспорта Аргоннской национальной лаборатории. Исследования и технический руководитель этого исследования в Аргонне.
Для транспортной отрасли возможность модифицировать производственные процессы для создания высокоэффективных материалов может помочь в разработке более экономичных двигателей или деталей двигателей, которые лучше выдерживают тепло и имеют более длительный срок службы.
«Исследователи компании Caterpillar активно стремятся улучшить наше понимание сплавов чугуна, чтобы предлагать нашим клиентам инновационные решения, — сказал Ричард Хафф, руководитель технической группы компании Caterpillar Inc., которая поставляла отливки из сплава для двигателей для использования в испытании на соответствие принципам работы.
Результаты исследования показали, что высокоэнергетическая рентгеновская томография может выявить ранее неизвестное поведение графита в чугуне, такое как рост конкреций, когда он подвергается различным видам обработки. Рентгеновские лучи также могут однозначно классифицировать тип частицы, участвующий в поведении, что имеет решающее значение для определения взаимосвязи структура-процесс.
Эти идеи являются ключом к манипулированию атомной структурой графита посредством производственных обработок, таких как изменение химического состава расплава и модифицирующих добавок, добавляемых в жидкий чугун.
В исследовательскую группу входили Хафф из Caterpillar и аргоннские исследователи Сингх, Чихпин Чуанг и Джон Хрин из отдела энергетических систем, а также Джон Алмер и Питер Кенезеи из отдела рентгеновских исследований,. Advanced Photon Source (APS), пользовательский центр Министерства энергетики США, расположенный в U.S. В рамках этого исследования использовалась Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики США.
Синхротронный рентгеновский анализ имеет несколько преимуществ по сравнению с современными методами, используемыми для оценки микроструктуры графита.
Трехмерное изображение структуры графита, его пространственного расположения в сплаве и его фазовой связи являются ключевыми факторами, определяющими свойства чугуна. Эти параметры не могут быть надежно получены с помощью текущего отраслевого стандарта 2-D теста. Реже используется, но более эффективно использование сфокусированных ионных пучков (FIB) и просвечивающей электронной микроскопии, которые могут обеспечить трехмерные изображения с высоким разрешением, но являются трудозатратными, требуют много времени и разрушают образец.
Рентгеновское излучение высоких энергий проникает в неоднородные образцы толщиной до сантиметра в реальных условиях эксплуатации. Это позволяет избежать проблем, связанных с методами ФИП и ПЭМ, а также обеспечивает лучшее статистическое представление параметров в сыпучих материалах.
Исследовательская группа обнаружила, что методы определения характеристик синхротрона позволяют по-новому понять, почему чугун с компактным графитом, который используется компанией Caterpillar в компонентах двигателей для тяжелых условий эксплуатации, может проводить тепло лучше, чем ковкий чугун, при сохранении хорошей вязкости. Ответ кроется в форме, размере и распределении частиц графита в чугуне.
«Трехмерная характеристика материала позволяет лучше понять формирование структуры и взаимосвязь между структурой и свойством», — сказал Хафф.
Результаты опубликованы в журнале Scripta Materialia в статье «Трехмерный количественный анализ морфологии графита в высокопрочном чугуне с помощью высокоэнергетической рентгеновской томографии.«Работы велись на канале 1-ID на АЭС.
Управление автомобильных технологий, Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, U.S.
Министерство энергетики поддержало эту работу, а Управление науки поддержало использование APS.