a fyzikální vlastnosti používají v různých odvětvích výroby a především v automobilovém průmyslu pro výrobu složitých odlitků, jako jsou bloky a hlavy spalovacích motorů, převodové skříně, lité disky kol, atd., tj. velmi členité a složité odlitky s nutností vysoké rozměrové přesnosti a kvality povrchu. Hliníkové, zinkové, hořčíkové a další slitiny jsou zpracovávány progresivními technologiemi (vysokotlaké a nízkotlaké lití, gravitační lití, atd.). Pro výrobu odlitků jsou také velmi důležité slévárenské vlastnosti použitých slitin.
Ve vztahu ke konečné rozměrové přesnosti odlitku je to především jejich sklon ke stahování a lineárnímu smršťování. Tyto rozměrové změny jsou důležité při návrhu dutiny slévárenské formy, nebo volbě velikosti nálitku, především při gravitačním odlévání.
V současné době roste podíl výroby odlitků ze slitin neželezných kovů oproti odlitkům vyrobeným ze slitin železa, což je způsobeno především poklesem výroby odlitků z litiny (s výjimkou litiny tvárné) a oceli na odlitky. Podíl jednotlivých slitin při výrobě odlitků je patrný z tabulky 1.1 a ukazuje značnou nerovnováhu v produkci jednotlivých skupin slévárenských slitin.
Tabulka 1.1 Podíl odlitků ve vybraných zemích světa v roce 2008 [1]
Země GJL GJS Ocel slitiny Al slitiny
Hliník a jeho slitiny mají v současné době velmi významné uplatnění v konstrukci a výrobě dílů pro automobilový průmysl a to především při výrobě hnacích a převodových agregátů, kde se dnes ze slitin hliníku vyrábí, jak velké funkční celky těchto zařízení, tak
-13-
malé odlitky. Nejdůležitější části spalovacího motoru s výjimkou klikového a vačkového hřídele a rozvodů obecně, ojnic (menší a méně namáhané ojnice lze vyrobit kováním ze slitin hliníku) a ventilů se ostatní části jako hlava spalovacího motoru, blok motoru a písty vyrábějí odléváním nebo jinou technologií (kované písty) ze slitin hliníku. Podíl hliníku při výrobě spalovacího motoru je tedy značně vysoký, kolem 65 %. Z toho vyplývá, že jsou hliníkové slitiny využívány při výrobě i těch nejsložitějších a také velmi teplotně a mechanicky namáhaných součástí spalovacích motorů ať už jakéhokoliv typu. Z těchto důvodů je výzkumu a vývoji slitin hliníku věnována značná pozornost. Hliníkové slitiny mají oproti železným slitinám nižší hustotu při často srovnatelných mechanických a jiných vlastnostech, která hraje při dnes stále rostoucích nárocích na ekologii významnou roli, viz obr. 1-1.
Obr. 1-1 Podíl hliníku při stavbě automobilů [2]
Vzhledem k poměrně krátké historii průmyslové výroby a zpracování hliníku se ve světě publikace s touto tématikou objevily ve 40. letech minulého století. Na našem území se komplexní publikace zabývající se hliníkem, kterou vytvořil KOLEKTIV AUTORŮ [3], objevila v roce 1969. Zatím u nás poslední a nejrozsáhlejší publikace věnovaná hliníku a jeho slitinám vznikla v roce 2005 pod vedením MICHNY [4]. MICHNA [5,6] se ve svých dalších publikacích také věnuje zkoumání strukturních vlastností pístových slitin. U
pístů. Již v roce 1935 se vlastnostmi pístových slitin zabýval MABREY [13] a poukázal na nutnost vývinu speciálních slitin s vyšším obsahem křemíku, protože se písty vyráběly pozornost obecným zákonitostem tuhnutí a pochodům, které ho doprovází. Obecnými zákonitostmi dilatačních změn slitin hliníku a zinku se zabýval také SMIRNOFF [18], již v roce 1912. Dějům při tuhnutí tavenin slitin hliníku a jejich sledováním se ve svých publikacích věnoval DEVAUX [19]. Avšak, nikdo z výše uvedených autorů, se ve svých pracích se nezabýval dilatometrickým měřením. Bylo to pravděpodobně proto, že pro tato měření je nutné speciální měřicí zařízení.
Dilatační změny a jejich hodnoty při tuhnutí a chladnutí odlitků ze slitin hliníku závisí mimo jiné také na obsahu křemíku. U materiálů pro výrobu pístů spalovacích motorů je obsah křemíku, a jeho vliv na dilatační chování, také důležitý z hlediska jejich užitných vlastností. V tomto smyslu je také koncipována tato disertační práce, která se věnuje zkoumání dilatačních vlastností slitiny hliníku AlSi12CuNiMg, používané pro výrobu pístů spalovacích motorů při jejím tuhnutí a chladnutí. Slitina AlSi12CuNiMg je s dvanácti procenty Si slitinou eutektického složení a patří mezi siluminy, což jsou slitiny hliníku s křemíkem. Tato slitina se používá pro gravitační odlévání pístů spalovacích motorů, přičemž se využívají její dobré slévárenské vlastnosti, nízkou hustotu a dobré tepelné vlastnosti, které slitina vykazuje i za zvýšených teplot (tj. za teplot, které odpovídají pracovním teplotám pístu ve válci spalovacího motoru). U této slitiny, stejně jako u některých dalších siluminů, lze zvýšit její mechanické vlastnosti pomocí tepelného zpracování, tzv. precipitačního vytvrzování.
Disertační práce je zaměřena na výzkum dilatačních vlastností při tuhnutí a chladnutí odlitků z vybraných slitin hliníku. Hlavní pozornost je věnována právě slitině
-15-
AlSi12CuNiMg. Rozměrové změny jsou sledovány pomocí zařízení, která byla vyvinuta na Katedře strojírenské technologie, FS – TU v Liberci, kde se její pracovníci sledováním těchto vlastností dlouhodobě zabývají.
1.1 Cíle diserta č ní práce
1. Sestavení a shrnutí známých poznatků o hliníku a jeho slitinách, které zahrnuje vlastnosti tepelně-fyzikální, mechanické, vliv chemického složení a jejich využití ve slévárenství. jejich tuhnutí a chladnutí v závislosti na různých parametrech lití odlitků.
5. Navrhnout a aplikovat metodiku pro sledování dilatačních změn slitin hliníku při ohřevu odlitků z těchto slitin vyrobených v závislosti na různých podmínkách lití, včetně otestování vlivu tepelného zpracování na toto dilatační chování.
6. Provést metalografické zhodnocení struktury vybraných odlitků ze slitin hliníku s využitím optické a elektronové mikroskopie.
7. Prozkoumání vlivu parametrů lití na mechanické vlastnosti vybraných slitin hliníku.
1.2 Publikace doktoranda k tématu diserta č ní práce a ostatní publikace
[1] MORÁVEK, J. Observing the proportions changes during solidification and cooling cast of aluminum alloys. Sborník 2. Zlievarenské sympózium. ISBN 978-80-8070-899-3.
[2] NOVÁ, I., MORÁVEK, J. Linear contraction monitoring of casting Al-Si in the cooling process. Sborník konference Metal 2009. ISBN 978-80-87294-03-1.
[3] MORÁVEK, J. Measurement of the coefficient of temperature contraction of casting aluminum alloy. Sborník příspěvků WTF 2009. ISBN 978-80-214-3871-2.
-16-
[4] MORÁVEK, J. Detection the coefficient of temperature contraction of castings piston alloys. Mitech 2009. ISBN 978-80-213-1931-8.
[8] NOVÁ, I., MORÁVEK, J., TVRZNÍK, P. Production of spheroidal graphite cast iron with higher amount of silicon. Transactions of the VŠB – Technical University of Ostrava, č.2, 2009, ročník LII. ISSN 0474-8484.
[9] NOVÁ, I., MORÁVEK, J., MACHUTA, J. Sledování dilatačních změn slévárenské slitiny hliníku AlSi12CuNiMg určené pro odlévání pístů spalovacích motorů. Slévárenství LVIII. ISSN 0037-6825.
[10] MORÁVEK, J., NOVÁ, I. Connection between temperature of melting and coefficient of thermal contraction of Al-Si alloys. Sborník konference Metal 2010. ISBN 978-80-87294-15-4.
[11] MORÁVEK, J. Matching methods for monitoring of dilation changes during solidification and cooling casts from aluminium alloys. 47. Slévárenské dny, Sborník 7. mezinárodní Ph.D. konference Brno, ISBN 978-80-904020-6-5.
[12] MORÁVEK, J., NOVÁ, I. Connection between temperature of melting and coefficient of thermal contraction of Al-Si alloys. sborník Thompson reuters (databáze ISI).
[13] MORÁVEK, J. NOVÁ, I. Observing the dilatation changes and microstructure of castings from piston aluminium alloy. Sborník konference Metal 2011, ISBN 978-80-87294-22-2.
[14] MORÁVEK, J. Sledování dilatačních vlastností hliníkových slitin metodou brzděného smršťování. Strojírenská technologie, číslo 3, ročník XVI, ISSN 1211-4162.
-17-