Výsledky obsaţené v této práci přináší dílčí informace o charakteristice mědi, jejich slitin, metalurgii, krystalizaci a tuhnutí odlitků jednoduchého deskovitého tvaru odlévaných do kovové a pískové bentonitové formy.
Jak je obecně známo, existuje málo literárních podkladů, které by komplexněji sledovaly metalurgii slitin mědi a výrobu odlitků.
Je nutno připomenout, ţe téma diplomové práce, které sleduje krystalizaci a tuhnutí slitin mědi nebylo nikdy řešeno v podmínkách tohoto pracoviště – Katedry strojírenské technologie, FS – TU v Liberci. V tomto smyslu je třeba hodnotit
Mosazi tvoří asi 80% všech slitin mědi. Mosazi vykazují malý interval teplot tuhnutí, coţ je pro výrobu odlitků velmi příznivé. Binární diagram slitin Cu - Zn je velmi komplikovaný diagram, obsahuje pět peritektických reakcí, při kterých vznikají intermetalické fáze β, γ, δ, ε, a η. Zinek tvoří s mědí substituční tuhý roztok α(Cu), s maximální rozpustností 32,5% Zn při teplotě 903°C. S klesající teplotou rozpustnost zinku roste aţ na hodnotu 39% Zn při teplotě 456°C.
Při dalším sniţování teploty se změna rozpustnosti na struktuře neprojeví. Fáze α se vykazuje kubickou plošně centrovanou mříţkou a má tedy dobré plastické vlastnosti. Fáze β se objevuje v mosazi s obsahem více neţ 38% zinku a vlastní kubickou prostorově centrovanou mříţku. Vysokoteplotní fáze β je velmi houţevnatá a umoţňuje tváření za tepla. Fáze β tvoří neuspořádaný tuhý roztok
88
na bázi elektronové sloučeniny CuZn a v rozmezí teplot 468°C aţ 456°C se transformuje na pravidelně uspořádanou fázi β´. Fáze β´je křehká a sniţuje houţevnatost. Mosaz, která je tvořena pouze fází β´je technicky nepouţitelná.
Nejpouţívanějšími slévárenskými mosazemi jsou slitiny mědi s obsahem 40% zinku, často s přísadou prvků (Fe, Al, Mn, Ni, Pb, Si atd.), které mají příznivý vliv na mechanické vlastnosti a na korozní odolnost mosazi.
Ţelezo působí jako krystalizační zárodky a přispívá ke zjemnění zrna a zpevňuje matrici, jeho obsah se doporučuje do 0,5%. Nikl zvyšuje houţevnatost a odolnost proti korozi, jeho obsah je do 1%, výjimečně vyšší. Mangan zvyšuje mechanické vlastnosti a odolnost proti korozi, jeho obsah se doporučuje 0,2 aţ 0,5%, u legovaných mosazí bývá aţ do 5%. Cín podporuje zabíhavost taveniny mosazí, zvyšuje pevnost slitiny a odolnost proti mořské vodě, jeho obsah je 0,5 aţ 1%. Hliník se doporučuje pro slitiny odlévané gravitačně do kovových forem, zvyšuje odolnost proti korozi odlitků armatur. Hliník, díky vysoké slučivosti s kyslíkem zhoršuje slévárenské vlastnosti a způsobuje porezitu odlitků. Při odlévání to písku se doporučuje obsah hliníku pod 0,1%.
U speciálních mosazí je obsah hliníku do 3%. Nepříznivý vliv na vlastnosti mosazí mají křemík, selen, telur, antimon, síra a některé další prvky. Jejich obsah je limitován pod hodnotu 0,01%. vlastnosti a odolnost proti korozi. Olovo zlepšuje obrobitelnost bronzu a podporuje samomazací schopnost loţisek. Rozpustnost cínu v tuhém roztoku α(Cu) je omezena a docílí největší teoretické hodnoty 15,8% Sn při teplotě 520°C. Rozpustnost cínu v tuhém roztoku s klesající teplotou klesá, při pokojové teplotě je zanedbatelná. Fáze α(Cu) má kubickou plošně centrovanou mříţku a disponuje dobrými plastickými vlastnostmi. Vysokoteplotní fáze β a γ mají kubickou prostorově centrovanou mříţku s poměrně dobrými plastickými vlastnostmi. Cínové bronzy, které obsahují fázi β a mají do 15%Sn, je moţné tvářet za tepla v rozmezí teplot 650°C aţ 750°C. Elektronová sloučenina Cu31Sn8
89
je obsaţena ve fázi δ se sloţitou kubickou mříţkou, která vzniká při ochlazování eutektoidní transformace fáze β resp. γ. Díky velké mikro segregaci cínu se fáze γ vylučuje na hranicích zrn fáze α. Tato fáze je křehká a tvrdá a poskytuje cínovému bronzu dobrou pevnost a vynikající kluzné vlastnosti. Pod teplotou 450°C při běţných podmínkách ochlazování nedochází k dalším transformacím a za normální teploty je struktura tvořena směsí fáze α a fáze eutektoidní (α+δ).
Tato strukturní sloţka vede k nárůstu tvrdosti a pevnosti, ale klesá houţevnatost.
Pouţívají se na velmi namáhané armatury, kluzná loţiska atd.
Speciální cínové bronzy tzv. zvonovina, která obsahuje kolem 22 % cínu, je pruţný a velmi tvrdý bronz pro výrobu zvonů. Vysoce leštěný bronz pro optická zrcadla se nazývá zrcadlovka, která obsahuje cca 33% Sn.
Červené bronzy vznikají částečnou náhradou cínu u cínových bronzů zinkem.
Mají dobré slévárenské a kluzné vlastnosti, přidáním olova se zlepšuje obrobitelnost. Pouţívají se na méně namáhané odlitky armatur nebo jako umělecké sochy.
Hliníkové bronzy obsahující aţ 12% Al s výbornými mechanickým vlastnostmi, vysokou odolností proti únavě, opotřebení, korozní odolností a odolností proti kavitaci. Vliv obsahu hliníku ve slitině na pevnost a taţnost. tlaky a malé rychlosti, součásti do nejiskřivého prostředí, součástky odolné proti mořské vodě, solným roztokům a organickým kyselinám. Slouţí také k výrobě plaket a mincí.
3. Pro výrobu odlitků je důleţitá metalurgie slitin mědi, pouţívaná tavící zařízení (kelímkové pece, vytápěné odporově, plynem - mimořádně i jinými palivy nebo elektrické indukční pece). Slitiny se dodávají v houskách. Pro přípravu taveniny se mimo housek pouţívá příslušný vratný materiál a tříděný příslušný měděný odpad. V této souvislosti je nutno zjistit, kolik vratného materiálu by se mělo
90
Při metalurgické přípravě taveniny ze slitin mědi je nutno brát v úvahu, ţe při tavení dochází k oxidaci a k naplynění vodíkem. Jeho zdrojem je vodní pára, popř. spaliny v tavících pecích a organické nečistoty na vsázkových surovinách.
Při styku s tekutým kovem se H2O rozkládá na vodík a kyslík, které se rozpouští v tavenině. Je nebezpečí, ţe mohou vznikat oxidické vměstky, které sniţují mechanické vlastnosti odlitků. Proto je důleţité, aby vměstky vyskytující se v tekutém nebo v tuhém stavu byly vázány do strusky. Pro chycení vměstků ve strusce a vytvoření ochranné vrstvy strusky se pouţívají krycí a rafinační soli (které dodává např. firma FOSECO v současné době a jsou známé pod obchodním názvem CUPREX 1, je dodáván v tabletách a RAFFINATOR 91, dodáván ve formě prášku). Fyzikální metalurgie. Fyzikálním výpočtem byla stanovena hustota mědi 8970 [kgm-3], teplotní roztaţnost mědi 16,9 10-6 [K-1], teplotní vodivost mědi 1,1 10-6 [m2s-1], objemové smrštění mědi 5,4 [%].
Na základě uplatnění fyzikálně metalurgických a termodynamických výpočtů bylo zjištěno, ţe pro ohřátí čisté mědi z teploty 25°C na teplotu 1155°C se spotřebuje 44 613 [Jmol-1]. Změna entropie tání (při teplotě 1083°C) činí 9,6 [J mol -1K -1]. Pro roztavení 1 kg mědi z teploty 25°C na 1083°C je třeba 464 [kJ]. V této souvislosti lze říci, ţe získané výsledky z těchto fyzikální a fyzikálně metalurgických výpočtů odpovídají tabelovaným hodnotám čisté mědi.
91
5. Z ryze experimentálních důvodů byly pouţity pro výrobu odlitků dvě netradiční slévárenské slitiny CuZn30. Z této slitiny vyrábí Preciosa – Lustry a.s., Kamenický Šenov odlitky pro výrobu svítidel. Tyto komponenty se nechají dobře leštit. Dále elektrovodná měď, která se pouţívá pro výrobu různých odlévaných dílů pro elektrotechnický průmysl.
6. Provedené experimenty za účelem sledování krystalizace vybraných slitin mědi v pískové a kovové formě přinesly důleţité informace o metalurgii a chování slitin mědi v praxi. V této souvislosti je třeba konstatovat, ţe tavení slitin mědi mohlo probíhat na pracovišti Katedry strojírenské technologie TU v Liberci proto, ţe je k dispozici tavící zařízení pro teploty 1550°C. Ukázalo se, ţe metalurgie a příprava taveniny slitin mědi je velmi důleţitá. Pokud hodnotíme povrchy odlitků tvaru desky, je zřejmé, ţe díky studené kovové formě odlévaných do pískové bentonitové formy je převáţně dendritická, velikost hlavních os dendritů činí aţ 1000 [m]. Také struktura elektrovodné mědi odlévané do pískové bentonitové formy v ojedinělých případech vykazuje dendritickou strukturu s délkou hlavní osy 600 [m].
8. Výsledky simulačního výpočtu tuhnutí odlitku tvaru desky 80 x 80 x 10 mm ze slitiny Cu Zn 30 potvrdily časový rozdíl při tuhnutí v pískové a kovové formě, viz obr. 4.56. V pískové formě po odlití v čase 15 s je malá ztuhlá vrstva odlitku cca 3,6 mm při líci formy. Celková doba tuhnutí tohoto odlitku po odlití je 53 s.
Na rozdíl, tuhnutí odlitku ze slitiny CuZn 30 v kovové formě v čase
92
15 s po odlití, viz. obr. 4.56 ukazuje, ţe ztuhlá vrstva tohoto odlitku je cca 14 mm. Doba tuhnutí tohoto odlitku po odlití dle simulačního výpočtu trvá 12 s.
Pro reálné výsledky numerických simulačních výpočtů je potřeba znát odpovídající tepelně-fyzikální veličiny a další potřebné hodnoty.
93