Diplomová práce je zaměřena na studium tuhnutí a krystalizaci slitin mědi v závislosti na podmínkách ochlazovací schopnosti slévárenské formy. Experimenty, které byly prováděny v laboratořích a slévárenském poloprovozu Katedry strojírenské technologie TU v Liberci vyţadovaly určité zkušenosti s metalurgií slitin mědi, se způsoby jejich rafinace a odléváním.
Pro vypracování této práce musela předcházet rešeršní studie, ve které jsou uvedeny nejnutnější charakteristiky slitin mědi a metalurgické zásady výroby odlitků, včetně jejich tuhnutí. Vlastní diplomová práce je rozdělena na dvě hlavní části a část výpočtovou.
V teoretické části jsou shrnuty základní poznatky chemických a fyzikálních vlastnostech mědi, o výrobě mědi a o slévárenských slitinách mědi, včetně procesu jejich krystalizace podle příslušných rovnováţných diagramů. Dále je rozpracováno tuhnutí odlitků a smršťování odlitků ze slitin mědi při jejich tuhnutí.
Součástí této části práce je charakteristika numerického simulačního programu MAGMA5. tepla ( 464[kJ). Stanovené hodnoty odpovídají tabelovaným hodnotám čisté mědi.
Experimentální část zahrnuje vlastní výrobu odlitků ze slitin mědi (CuZn30, elektrovodná měď, CuSn 12 a CuZn31MnAl1), které byly odlévány do dvou typů slévárenských forem (pískové, bentonitové formy a kovové formy) se záměrem výroby odlitků, jednoduchého tvaru – desky 80 x 80 x 10 mm. Vyhodnocením těchto odlitků je moţno vyslovit tyto dílčí závěry:
94
1. Výroba odlitků ze slitin mědi vyţaduje tavící agregát, který je schopen vyvodit vyšší teplotu, neţ je teplota tání mědi (1083 °C), popř. neţ je teplota tání slitin mědi. K tomuto účelu velmi dobře poslouţila elektrická odporová pec typu 11016S CLASIC
2. Pro výrobu kvalitních odlitků je nutno připravovanou taveninu slitin mědi pečlivě metalurgicky ošetřit, v našem případě bylo pouţito dřevěné uhlí, coţ se neprojevilo ve všech případech odlévání účelné. V takovém to případě je nutno pouţít případě komerčně dodávané rafinační a dezoxidační prostředky.
3. Krystalizace, tuhnutí a chladnutí odlitků ze slitin mědi souvisí s charakterem slévárenské formy a jejím odvodem tepla z tuhnoucího odlitku. Kovová forma vykazuje vyšší akumulační schopnost, neţ forma písková a proto v kovové formě se ustavují příznivější tepelné poměry, které mají za následek jemnější krystalizace dané slitiny mědi. Např. krystalizace slitiny CuZn31MnAl1 odlévané do pískové formy vykazuje velikost krystalů o maximální délce 250 m a šířce 35 aţ 70 m. protáhlého tvaru. Krystalizace slitiny odlévané do kovové formy je výrazně jemnější, kde krystaly tuhého roztoku dosahují velikosti od 20 m do 200 m a tloušťce od 4 m do 10 m.
4. Hodnoty tvrdosti vyrobených odlitků (měřeno HBW, kulička 2,5 mm, zátěţná síla F = 62,5 kp; cca 613 N) odpovídají teoretickému předpokladu, ţe v kovové formě probíhá tuhnutí, resp. krystalizace odlitků intenzivněji a lze předpokládat, ţe je jemnozrnnější struktura a tím by měly být vyšší hodnoty tvrdosti.
Tento předpoklad naměřené hodnoty tvrdostí potvrzují. Pro odliky vyrobené v kovové formě, byly naměřeny tyto střední hodnoty tvrdosti: odlitek ze slitiny CuZn30, 78,4 HBW; odlitek z elektrovodné mědi 55,6 HBW; odlitek ze slitiny CuSn12, 97,6 HBW a odlitek ze slitiny CuZn31MnAl1, 119, 4 HBW.
Pro odliky vyrobené v pískové bentonitové formě byly naměřeny tyto střední hodnoty tvrdosti: odlitek ze slitiny CuZn30, 71,0 HBW; odlitek z elektrovodné mědi 51,6 HBW; odlitek ze slitiny CuSn12, 88,6 HBW a odlitek ze slitiny CuZn31MnAl1, 100,6 HBW.
95
5. Hodnocením lomové plochy vzorků vybraných odlitků ze slitin mědi bylo zjištěno, ţe se jedná spíše o tvárný lom, především u odlitku z elektrovodné mědi, pro které je typická jamkovitá struktura lomové plochy.
6. Z výsledků numerických simulačních výpočtů plnění, tuhnutí a chladnutí odlitků je patrné, ţe kovová forma, dle teoretického předpokladu, vykazuje vyšší hodnotu akumulace tepla, neţ forma písková, bentonitová s křemenným ostřivem. S tímto předpokladem také úzce souvisí proces tuhnutí odlitků srovnatelných materiálů, v tomto případě pouţitá slévárenská slitina CuZn 30.
Ztuhlá vrstva odlitku v pískové formě je výrazně menší neţ ztuhlá vrstva odlitku v kovové formě. Ve stejném časovém okamţiku, ztuhlá vrstva v pískové formě činí jen cca 25 % z hodnoty ztuhlé vrstvy v kovové formě.
Ekonomické hodnocení nebylo provedeno, neboť se jedná o prvotní práci v této oblasti, týkající se základního výzkumu.
Pro další výzkum by bylo vhodné, aby byly provedeny experimenty při odlévání do kovové formy předehřáté alespoň na teplotu 200°C aţ 300 °C.
A současně by bylo za vhodno věnovat zvýšenou pozornost metalurgické přípravě taveniny a pokud moţno vyuţít rafinačních prostředků.
96
LITERATURA
[1] Periodická tabulka: Měď [online]. [cit. 2015-05-10]. Dostupné z: www.prvky .com/29.html
[2] Měď: Cuprum [online]. [cit. 2015-05-10]. Dostupné z: nom.wz.cz/KOVY /Med1.htm
[3] Kovové materiály a jejich zpracování. Ústav materiálového inženýrství:
Fakulta strojní ČVUT [online]. [cit. 2015-05-10]. Dostupné z: http://umi.fs.
cvut.cz/wp-content/uploads/2014/08/4_1_kovove-materialy-a-jejich- zpracovani.pdf
[4] Měď [online]. [cit. 2015-05-10]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/M%
C4%9B%C4%8F#Z.C3.A1kladn.C3.AD_fyzik.C3.A1ln.C4.9B-chemick.C3.
A 9_vlastnosti
[5] PODRÁBSKÝ, Tomáš, Karel NĚMEC a Martin JULIŠ. Neželezné kovy a jejich slitiny II: doplnění a rozšíření přednášky "Strojírenské materiály" z předmětu BUM. [online]. [cit. 2015-05-10]. Dostupné z: http://slideplayer.cz /slide/2545869/
[6] MAZANCOVÁ, Eva. Materiály pro náročné technické aplikace: Studijní opora [online]. Vysoká škola škola báňská - Technická univerzita Ostrava, 2008 [cit. 2015-05-17]. Dostupné z: http://www.fmmi.vsb.cz/export/sites/
fmmi/cs/studium-a-vyuka/studijni-opory/636-Mazancova-Materialy-pro narocne-TA.pdf
[7] VOJTĚCH, Dalibor. Kovové materiály [online]. VŠCHT Praha, 2006 [cit. 2015-05-17]. ISBN 80-7080-600-1. Dostupné z: http://vydavatelstvi.vscht .cz/katalog/uid_isbn-80-7080-600-1/anotace/
[8] HORÁKOVÁ, Marta. Prezentace - Technické neželezné kovy - těžké [online].
[cit. 2015-05-17]. Dostupné z: http://slideplayer.cz/slide/2551334/
[9] TOMAN, Vladimír. Metalurgie neželezných kovů - Základní část [online].
[cit. 2015-05-17]. Dostupné z: http://archiv.ekomonitor.cz/sites/default/files/
obrazky/seminare/ovzdusi/seminar2/23_toman_final.pdf
[10] ROUČKA, J.: Metalurgie neželezných kovů. [Skripta]. Akademické nakladatelství CERN, s.r.o. VUT-FSI Brno, 2004. ISBN 80-214-2790-6.
97
[11] GRÍGEROVÁ, Tatiana et al: Zlievárenstvo neželezných kovov. 1. vyd.
Bratislava /Praha 1988.
[12] NOVÁ, Iva: Teorie slévání 1. díl. [Skripta]. FS – TU v Liberci, 2006.
[13] CHVORINOV N: Tuhnutí a krystalizace oceli. 1. Vyd. Praha 1954.
[14] Tescan - VEGA3 SB [online]. [cit. 2015-05-17]. Dostupné z: http://www.
tescan.com/cz/produkty/vega-sem/vega3-sb
[15] MAGMA5 - Podkladové materiály firmy pro numerické simulační výpočty fy. MAGMA Aachem
[16] http://latitudenews.wpengine.netdna-cdn.com/wp-content/uploads/2012/09/
RTR1NQ72.jpg
[17] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d3/Chalcocite-139815.jpg/400px-Chalcocite-139815.jpg
[18] Cu-Al http://copper.zohosites.com/files/Cu-Al.jpg
[19] Cu-Pb http://www.himikatus.ru/art/phase-diagr1/Cu-Pb.php [20] http://www.crct.polymtl.ca/fact/documentation/FScopp/Cu-Si.jpg [21] Cu-Be http://www.himikatus.ru/art/phase-diagr1/Be-Cu.gif
[22] Metalografie I. - příprava vzorku pro pozorování mikroskopem. [Podkladové materiály pro výuku]. VŠCHT Praha. [online] [cit. 2015-05-17]. Dostupné z:
http://old.vscht.cz/met/stranky/vyuka/labcv/labor/fm_metalografie_1/index.htm [23] PÍŠEK, F. at. al: Nauka o materiálu I/3 Neželezné kovy. (The study of
materials non-ferous materials). Praha, 1975.
[24] Technické materiály firmy Foseco.
P Ř Í L O H A
98
SEZNAM PŘÍLOH
Příloha č. 1 Struktura slitiny CuZn30 Příloha č. 2 Struktura elektrovodné mědi Příloha č. 3 Struktura slitiny CuSn12
Příloha č. 4 Struktura slitiny CuZn31MnAl1
Příloha č. 5 Výkresová dokumentace kovové formy Příloha č. 6 Norma ČSN 42 3210
Příloha č. 7 Norma ČSN 42 3123 Příloha č. 8 Norma ČSN 42 3322
Příloha č. 1 Struktura slitiny CuZn30, vzorek č. 1: odléváno do kovové formy
Použité leptadlo:
Levý sloupec leptadlo 1 100 ml kyselina dusičná a 100 ml destilovaná voda Pravý sloupec leptadlo 2 2g dvojchroman draselný, 8 ml kyselina sírová,
4 ml nasycený roztok NaCl a 100 ml destilovaná voda
Struktura slitiny CuZn30, vzorek č. 1: odléváno do pískové formy
Použité leptadlo:
Levý sloupec leptadlo 1 100 ml kyselina dusičná a 100 ml destilovaná voda Pravý sloupec leptadlo 2 2g dvojchroman draselný, 8 ml kyselina sírová,
4 ml nasycený roztok NaCl a 100 ml destilovaná voda
Příloha č. 2 Struktura čisté elektrovodné mědi, vzorek č. 2: odléváno do kovové formy
Použité leptadlo:
Levý sloupec leptadlo 1 100 ml kyselina dusičná a 100 ml destilovaná voda Pravý sloupec leptadlo 2 2g dvojchroman draselný, 8 ml kyselina sírová,
4 ml nasycený roztok NaCl a 100 ml destilovaná voda
Struktura čisté elektrovodné mědi, vzorek č. 2: Odléváno do pískové formy
Použité leptadlo:
Levý sloupec leptadlo 1 100 ml kyselina dusičná a 100 ml destilovaná voda Pravý sloupec leptadlo 2 2g dvojchroman draselný, 8 ml kyselina sírová,
4 ml nasycený roztok NaCl a 100 ml destilovaná voda
Příloha 3 Struktura slitiny CuSn12, vzorek č. 3: odléváno do kovové formy
Použité leptadlo:
leptadlo 2
2g dvojchroman draselný, 8 ml kyselina sírová, 4 ml nasycený roztok NaCl a 100 ml destilovaná voda
Struktura slitiny CuSn12, vzorek č. 3: odléváno do pískové formy
Použité leptadlo:
Levý sloupec leptadlo 1 100 ml kyselina dusičná a 100 ml destilovaná voda Pravý sloupec leptadlo 2 2g dvojchroman draselný, 8 ml kyselina sírová,
4 ml nasycený roztok NaCl a 100 ml destilovaná voda
Příloha č. 4 Struktura slitiny CuZn31MnAl1, vzorek č. 4: odléváno do kovové formy
Použité leptadlo:
leptadlo 1 100 ml kyselina dusičná a 100 ml destilovaná voda
Struktura slitiny CuZn31MnAl1, vzorek č. 4:odléváno do pískové formy
Použité leptadlo:
Levý sloupec leptadlo 1 100 ml kyselina dusičná a 100 ml destilovaná voda Pravý sloupec leptadlo 2 2g dvojchroman draselný, 8 ml kyselina sírová,
4 ml nasycený roztok NaCl a 100 ml destilovaná voda