Strana pro oficiální zadání

_____________________________________________________________________________

1 Strana pro oficiální zadání – v IS STAG

_____________________________________________________________________________

2

_____________________________________________________________________________

3 Strana pro oficiální zadání – v IS STAG

_____________________________________________________________________________

4

_____________________________________________________________________________

5

Anotace

Tato bakalářská práce se zabývá sledováním krystalizace slévárenských slitin. Práce je rozdělena na teoretickou a experimentální část. Teoretická obsahuje informace nejen o krystalizaci kovů a jejich slitin, ale i o možnostech jejího ovlivňování. Dále je zaměřena na charakteristiku hliníku a jeho slitin - výrobu, použití, typy slévárenských slitin, možnosti tepelného zpracování. V experimentální části byla metalograficky pozorována struktura odlitků ze slitiny AlSi12 a hodnocena pomocí kritéria DAS. Dále bylo u odlitků provedeno měření tvrdosti zkouškou dle Brinella.

Klíčová slova

krystalizace, hliník a jeho slitiny, odlitek, metalografické pozorování, zkouška tvrdosti

Annotation

The bachelor thesis focuses on observation of crystallisation of foundry alloys. The work is divided into two parts - theoretical and experimental. The theoretical part contains information about crystallization of metals and their alloys and it also outlines the possibilities of its influencing. The theoretical part also focuses on the characteristics of aluminium and its alloys - its production, use, types of alloys and possibilities of heat treatment. The experimental part deals with the metallographic observation of the structure of casts made from the alloy AlSi12. The DAS criterion was used for its evaluation. The casts underwent the Brinell hardness test.

Key words

crystallization, aluminium and its alloys, cast, metallographic observation, hardness test

_____________________________________________________________________________

6

Poděkování

Na tomto místě bych rád poděkoval své vedoucí bakalářské práce paní prof. Ing. Ivě Nové, CSc. za cenné rady a připomínky, které vedly k jejímu vytvoření. Dále děkuji své rodině za podporu, kterou mi poskytovali po celou dobu studia.

_____________________________________________________________________________

7

OBSAH

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ ... 8

1. ÚVOD ... 9

2. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE ... 10

2.1 Krystalizace kovů ……….……….……. 10

2.1.1 Průběh krystalizace ………....………. 11

2.1.2 Krystalizace čistého kovu ……… 14

2.1.3 Krystalizace slitin v reálných podmínkách ………. 15

2.1.4 Tvary krystalů a podmínky jejich růstu ……….………….. 17

2.1.5 Možnosti ovlivňování krystalizace ……….………. 19

2.2 Charakteristika hliníku a jeho slitin ………...………. 20

2.2.1 Čistý hliník ……….. 20

2.2.1.1 Výroba čistého hliníku ………...………. 21

2.2.1.2 Použití čistého hliníku ………..……….. 22

2.2.2 Slitiny hliníku ………..……… 23

2.2.2.1 Vliv prvků ve slitinách hliníku ………...………. 23

2.2.2.2 Vybrané typy slévárenských slitin ………..……… 25

2.2.2.3 Slitina AlSi12 ………...………….. 28

2.2.2.4 Modifikace a očkování slitin hliníku ………...………...…. 28

2.2.2.5 Tepelné zpracování hliníku a jeho slitin ……….……...………..29

3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST PRÁCE ………. 31

3.1 Charakteristika použitých slévárenských forem ………...……….. 31

3.2 Metalurgická příprava taveniny ……….………. 32

3.3 Příprava metalografických vzorků ………..……… 34

3.4 Metalografické pozorování struktury vzorků ……….………. 36

3.4.1 Hodnocení struktury vzorků ………...………. 44

3.4.1.1 Sledování dendritické struktury vzorků ……….………. 45

3.5 Měření tvrdosti odlitků ……… 47

4. DISKUSE VÝSLEDKŮ ………...………. 50

5. ZÁVĚR ……….……….. 52

6. SEZNAM POUŽITÉ LITRATURY ………..……….. 54

_____________________________________________________________________________

8

Seznam použitých zkratek a symbolů

ΔG(l) Gibbsova energie kapalné fáze [J]

ΔG(s) Gibbsova energie tuhé fáze [J]

TKR teplota krystalizace [K]

ΔGz změna Gibbsovy energie [J]

ΔGv změna Gibbsovy energie pro objem zárodku [J·m^-3]

Vz objem zárodku [m³]

Sz povrch zárodku [m²]

σz-t povrchové napětí mezi zárodkem a taveninou [N.m^-1]

r poloměr zárodku [mm]

Ttá teplota tání [K]

ΔT teplota podchlazení [K]

Htá změna entalpie tání [J·m^-3]

rKRIT kritická velikost zárodku [m]

α úhel smáčení cizí částice taveninou [rad]

Tlití teplota lití [K]

KS rozdělovací koeficient solidu [1]

KL rozdělovací koeficient likvidu [1]

CS chemické složení solidu [%]

CL chemické složení likvidu [%]

C0 určité chemické složení [%]

L celková délka dendritu [µm]

n celkový počet sekundárních os dendritu [1]

F zátěžná síla [kp]

k materiálový koeficient [kp∙mm^-2]

D průměr kuličky [mm²]

DAS dendrite arm spacing

_____________________________________________________________________________

9

1. ÚVOD

Slévárenství je netřísková technologie, jejímž produktem je výrobek nazývaný jako odlitek. Odlitky se vyrábí naléváním roztaveného kovu nebo slitiny kovů (taveniny) do slévárenské formy, jejíž dutina má tvar budoucího odlitku. Jedná se často o tvarově složité díly, které mají však horší mechanické vlastnosti než díly tvářené. I přesto se slévárenská technologie používá velmi často, neboť zabezpečuje výrobu tvarově složitých dílů, jež i odléváním získávají potřebné mechanické vlastnosti. Tyto vlastnosti úzce souvisí s jejich krystalickou strukturou. Charakter této struktury lze ovlivnit způsobem odlévání, typem slévárenské formy, resp. její akumulační schopností, rychlostí odlévání, teplotou kovové slévárenské formy, atd. Jak ukazuje slévárenská praxe, výroba odlitků pro automobilový průmysl (písty a hlavy spalovacích motorů) vyžaduje volbu nejen vhodného slévárenského materiálu, ale také odpovídající slévárenské technologie. Pro výrobu hlav a pístů spalovacích motorů, které jsou při své funkci tepelně namáhané (u hlav motorů často proudí chladící médium), je nejvhodnější technologie gravitačního lití do kovových forem, jež zabezpečuje výrobu kompaktních a hutných odlitků bez vzniku vnitřních vad (porózity) s vyhovující krystalickou strukturou.

Pro tyto účely jsou nejvýhodnějšími slévárenskými slitinami slitiny hliníku. Je u nich využíváno jejich nízké hustoty a poměrně vyhovujících technologických vlastností pro odlévání. Tyto slévárenské slitiny hliníku se dělí na siluminy (slitiny typu Al-Si), hydronália (slitiny typu Al-Mg) a duraluminy (slitiny typu Al-Cu). Nejpoužívanějšími slévárenskými slitinami jsou siluminy, především slitina AlSi12, která vykazuje výborné slévárenské vlastnosti, k nimž také patří nízká teplota tavení (577 °C bez modifikačního účinku, 560 °C s modifikačním účinkem), což je proti teplotě tání čistého hliníku (660 °C) značný rozdíl. Jak z výše uvedeného vyplývá, gravitační lití slitiny AlSi12 do kovových forem je jednou z důležitých technologií výroby odlitků. V souvislosti s těmito poznatky byla také řešena tato bakalářská práce, která je na téma: „Sledování krystalizace slévárenských slitin.“

_____________________________________________________________________________

10

2. TEROTICKÁ ČÁST PRÁCE

2.1 Krystalizace kovů

Většina kovů se vyrábí tak, že v určitém stádiu výroby prochází kov kapalným stavem. Také druhotné zpracování kovů slévárenskou technologií předpokládá ohřev kovů do oblasti taveniny. Konečné vlastnosti slévárenských kovů závisí na řadě faktorů, z nichž důležitou pozici zaujímá krystalizace, tj. přeměna kapalné fáze ve fázi tuhou [1].

Mechanismus krystalizace je charakterizován vznikem stabilních zárodků a jejich následným růstem. Základní podmínkou pro uskutečnění tohoto mechanismu je dostatečně velké podchlazení taveniny. Při krystalizaci se tavenina mění v krystalickou fázi s geometricky pravidelným uspořádáním atomů do krystalické mřížky [1,2].

Ve [2] bylo řečeno: „Příčinou tohoto děje je snaha taveniny kovu dosáhnout při změně vnějších podmínek (v tomto případě změny teploty) stabilního stavu - tj. minimální hodnotu změny Gibbsovy energie ΔG, která daný děj charakterizuje.“ Aby byla Gibbsova energie záporná nebo její hodnota klesala (ΔG = G(s) – G(l) < 0), což je podmínka pro uskutečnění krystalizace, je nutné podchlazení taveniny (ΔT), viz obr. 2.1. V případě, že tavenina dosáhne při ochlazování pouze teploty krystalizace (TKR), nemůže dojít ke krystalizaci, protože není splněna podmínka záporné hodnoty Gibbsovy energie. To znamená, že krystalizace začíná při teplotě nižší, než je teplota krystalizace (TKR) [2].

Obr. 2.1 Závislost Gibbsovy energie tuhé (s) a kapalné (l) fáze na teplotě [2]

_____________________________________________________________________________

11

2.1.1 Průběh krystalizace

Krystalizace kovů (slitiny kovů) je difúznífázová přeměna, jejíž průběh má dvě fáze.

V první fázi se tvoří zárodky a v druhé dochází k jejich následnému růstu. Krystalizace čistého kovu je nejjednodušší fázová přeměna, při níž se nemění chemické složení.

U krystalizace slitiny kovů rozlišujeme dva typy tvorby zárodků. Prvním typem je homogenní nukleace, kdy se vytváří nová krystalická fáze bez pomoci cizích zárodků v tavenině. Druhým typem je heterogenní nukleace, kdy se nová krystalická fáze vytváří na cizích částicích (zárodcích). Na obr. 2.2 je schéma tvorby krystalizačních zárodků [2].

Obr. 2.2 Schéma tvorby krystalizačních zárodků [3]

Jak je z obr. 2.2 patrné, zárodky tuhé fáze jsou tvořeny shluky atomů, které mají vzájemnou polohu odpovídající jejich budoucímu krystalickému uspořádání [3].

Homogenní (samovolná) nukleace

Je proces při krystalizaci, kde se na vzniku krystalizačního zárodku nepodílí cizí částice (očkovadlo, modifikátor, částice strusky, úlomky pecní vyzdívky). V případě místního podchlazení taveniny, které vznikne místním kolísáním teploty, může dojít ke vzniku a následnému růstu krystalizačního zárodku. Ke vzniku krystalizačního zárodku je potřeba práce, jež je úměrná změně Gibbsovy energie ΔGz [2].

∆𝐺_𝑍 = 𝑉_𝑍 ∙ ∆𝐺_𝑉+ 𝑆_𝑍∙ 𝜎_𝑧−𝑡 , (1a)

kde značí: ΔGz - změnu Gibbsovy energie [J], ΔGv - změnu Gibbsovy energie pro objem zárodku [J·m^-3], Vz - objem zárodku [m³], Sz - povrch zárodku [m²], σz-t - povrchové napětí mezi zárodkem a taveninou [N.m^-1].

_____________________________________________________________________________

12

Změnu Gibbsovy energie pro objem zárodku lze vypočítat dle rovnice:

∆𝐺_𝑉 = ^{∆𝐻𝑡á∙∆𝑇}

𝑇_𝑡á , (1b) kde značí: Ttá - teplotu tání [K], ΔT - teplotu podchlazení [K], Htá - změnu entalpie tání [J·m^-3].

Pro krystalizaci je rovněž důležitá kritická velikost zárodku rKRIT. Pokud bude zárodek menší než rKRIT, je možné, že termodynamické poměry v tavenině ho rozpustí. Obr. 2.3 zobrazuje závislost kritické velikosti zárodku na změně Gibbsovy energie. Na obr. 2.3 jsou znázorněny tři křivky. Křivka 1 určuje Gibbsovu energii, která je nutná k vytvoření povrchu zárodku a křivka 2 Gibbsovu energii, jež je potřebná ke vzniku objemu zárodku.

Poslední křivka stanovuje celkovou energii, která je nezbytná k vytvoření kritické velikosti krystalizačního zárodku rKRIT [2].

Obr. 2.3 Závislost kritické velikosti zárodku na změně Gibbsovy energie [2]

Na obr. 2.3 je vidět, že rKRIT odpovídá extrému na křivce udávající celkovou Gibbsovu energii, což znamená, že první derivace v tomto bodě je rovna nule. Pokud bude mít krystalizační zárodek tvar koule, tak lze psát SZ = 4r² a VZ = 4/3r³, kde r značí poloměr zárodku. Po dosazení těchto vztahů a rovnice (1b) do rovnice (1a) a její následné derivaci (dΔGZ/dr), kterou položíme rovnu nule, lze stanovit kritickou velikost zárodku

_____________________________________________________________________________

13

pro homogenní nukleaci rKRIT dle rovnice (2). Kritická velikost zárodku pro heterogenní nukleaci je ovlivněna úhlem smáčení cizí částice taveninou α, viz rovnice (3) [2].

𝑟_{𝐾𝑅𝐼𝑇} =^{2∙𝜎𝑧−𝑡∙𝑇𝑡á}

∆𝐻𝑡á ∙∆𝑇 (2) 𝑟_{𝐾𝑅𝐼𝑇} =^{2∙𝜎𝑧−𝑡 𝑇𝑡ásin}

∆𝐻_𝑡á ∙∆𝑇 , (3) kde značí: rKRIT - kritickou velikost zárodku [m], α - úhel smáčení cizí částice taveninou [rad].

Kritickou velikost zárodku požadujeme vždy co nejmenší. To lze ovlivnit velkým podchlazením (T) a naopak poměrně malým povrchovým napětím mezi zárodkem a taveninou (σz-t). Podchlazení můžeme ovlivnit typem slévárenské formy. Například kovová forma v porovnání se sádrovou vykazuje mnohem vyšší podchlazení. Z toho vyplývá, že odlitek litý do kovové formy bude mít jemnější strukturu, protože dochází k rychlému ochlazování taveniny, a tím pádem krystaly nevyrostou tak velké. Důvodem, proč chceme co nejnižší rKRIT, je, že odlitek s jemnější strukturou má vyšší mechanické vlastnosti než se strukturou hrubozrnnou. Hodnota podchlazení je u homogenní nukleace cca 0,2·TKR. Homogenní nukleace se v praxi téměř nevyskytuje [2].

V praxi lze splnit co nejmenší hodnotu rKRIT:

1. velkým podchlazením (T), tj. volit formu s velkou hodnotou tepelné akumulace bF; 2. očkováním taveniny;

3. mechanicky ovlivňovat krystalizaci (zvýšeným tlakem, vibracemi formy) [2].

Heterogenní nukleace

Heterogenní nukleace na rozdíl od homogenní nepředpokládá ideálně čistou taveninu.

Počítá s tím, že se do taveniny během její přípravy dostávají jak cizí částice (zbytky strusky, úlomky pecní vyzdívky, oxidy, křemičitany), tak i ty úmyslně přidané (modifikátory a očkovadla). Díky těmto částicím stačí při heterogenní nukleaci nižší podchlazení (0,02·TKR). Na obr. 2.4 je schéma růstu krystalizačního zárodku na cizí částici. Kritickou velikost zárodku lze vypočítat z rovnice (3) [2].

_____________________________________________________________________________

14

Obr. 2.4 Schéma růstu krystalizačního zárodku na cizí částici [2]

Požadavky na částici, aby mohla plnit funkci krystalizačního zárodku, jsou dle [2]:

a) teplota tavení částice musí být větší než teplota tavení odlévaného kovu;

b) musí mít příbuznou krystalickou mřížku;

c) částice musí být co nejvíce smáčivá;

d) částice a tavenina musí mít stejnou nebo velmi podobnou hustotu.

2.1.2 Krystalizace čistého kovu

Jestliže má ochlazovaný kov v celém průřezu stejnou teplotu, dochází k růstu krystalu z každého zárodku s kritickou velikostí. Takto rostoucí krystal uvolňuje latentní teplo, dochází ke zvýšení teploty v jeho okolí, a tím pádem se další krystaly musí vytvářet dále od ostatních, díky čemuž dochází k pravidelnému rozmístění krystalů. V reálných podmínkách jsou nejlepší podmínky pro vznik zárodků při stěnách formy, protože do nich může být odváděno vznikající latentní teplo, a proto krystalizace postupuje od stěn formy do jejího středu [2,4].

Pokud nalijeme čistý kov o teplotě lití (Tlití) do formy, nedochází okamžitě v čase to ke vzniku teplotního gradientu (rozdíl teplot taveniny a slévárenské formy). Teplotní gradient vzniká až později v čase t1, kdy se teplo z taveniny odvádí do stěn formy.

Zárodky začínají růst od stěn formy až ve chvíli, kdy teplota taveniny u nich klesne pod teplotu tání Ttá (TKR). Nejrychleji rostou zárodky, které jsou orientovány ve směru odvodu tepla z formy. V čase t2 postupuje krystalizace do středu odlitku a teplotní gradient se již téměř nemění. Na obr. 2.5 je tento průběh krystalizace naznačen včetně průběhu teplotního gradientu. [2,4].

_____________________________________________________________________________

15

Obr. 2.5a) Průběh tuhnutí čistého kovu a eutektické slitiny [2]

Obr. 2.5b) Průběh tuhnutí slitin typu tuhého roztoku [2]

2.1.3 Krystalizace slitin v reálných podmínkách

Při rovnovážných podmínkách (ochlazování taveniny velmi malou rychlostí) lze počítat s platností rovnovážného diagramu. Pomocí rovnovážného diagramu, viz obr. 2.6, je možno popsat krystalizaci slitiny s chemický složením C0. Krystalizace začíná při teplotě likvidu (T1), a jak lze vidět v rovnovážném diagramu, tak první krystaly mají složení CS a tavenina C0. Dále mezi teplotami likvidu (T1) a solidu (T2) se chemické složení taveniny mění podle křivky likvidu a krystalů podle křivky solidu. Krystalizace končí při teplotě solidu (T2). Při této teplotě mají krystaly složení C0 a tavenina CL. Z výše uvedeného vyplývá, že v případě platnosti rovnovážného diagramu se složení krystalů

_____________________________________________________________________________

16

mění od CS do C0 a taveniny od C0 do CL. Na začátku krystalizace obsahují krystaly převážné množství složky A a jen minimum složky B. Ke konci krystalizace je to přesně naopak (malé množství složky A, převážné množství složky B). To znamená, že chemické složení krystalů je nehomogenní. Poměrné zastoupení jednotlivých složek jak v krystalech, tak v tavenině zjistíme pomocí rozdělovacího koeficientu K - pro krystaly (solidus) KS a pro taveninu (likvidus) KL, viz rovnice (4a) a (4b) [2,4].

𝐾_𝑆 = ^𝐶𝑆

𝐶𝑂< 1, (4a) 𝐾_𝐿 = ^𝐶0

𝐶_𝐿 < 1, (4b) kde značí: KS - rozdělovací koeficient solidu [1], KL - rozdělovací koeficient likvidu [1], CS - chemické složení solidu [%], CL - chemické složení likvidu [%], C0 - určité chemické složení [%].

Obr. 2.6 Rovnovážný diagram[2]

Obr. 2.7 znázorňuje rozdíl mezi tuhnutím čistého kovu a slitiny. Na rozdíl od čistého kovu, kdy je fronta tuhnutí rovnoměrná, je u slitiny tato fronta ovlivněna konstitučním přechlazením (místním podchlazením). V důsledku toho má rozhraní tuhé fáze a taveniny dendritickou povahu. Konstituční přechlazení způsobuje přísadový prvek, díky kterému nastává rozdíl mezi skutečnou teplotou kovu a teplotou, jež odpovídá místnímu chemickému složení [3,13].

_____________________________________________________________________________

17

Obr. 2.7a) Tuhnutí čistého kovu [3]

Obr. 2.7b) Tuhnutí slitiny kovů [3]

2.1.4 Tvary krystalů a podmínky jejich růstu

Směr a rychlost odvodu tepla z taveniny ovlivňuje primární krystalizaci, čímž se rozumí růst krystalů přímo z taveniny. Obecně se krystal vznikající z taveniny nazývá dendrit (rozvětvený krystal). V případě vysoké rychlosti odvodu tepla z taveniny je vzdálenost mezi osami dendritu malá a rozvětvení os dendritu jemnější, viz obr. 2.8b).

Přesně naopak je tomu při nízké rychlosti odvodu tepla z taveniny, viz obr. 2.8d) [2].

a) prostorová struktura dendritu

b) růst dendritu při intenzivním odvodu tepla c) růst dendritu při méně intenzivním odvodu tepla d) růst dendritu při málo intenzivním odvodu tepla

Obr. 2.8 Schéma dendritu při různých podmínkách odvodu tepla [2]

_____________________________________________________________________________

18

Na růst krystalu, jenž vyčnívá od povrchu odlitku kolmo do taveniny, má také vliv hustota uspořádání atomů v tavenině. Rychlost růstu krystalu se pak v některých jeho plochách liší. Plochy, které rostou pomaleji, zůstanou zachovány. Rychleji rostoucí plochy vytvářejí hrot, který směřuje do taveniny, viz obr. 2.9. Takto rostoucí krystal nevytváří vhodné podmínky pro růst dalších krystalů v jeho okolí, protože uvolňuje latentní teplo. Na začátku růstu si lze takto rostoucí krystal představit jako půlkulovitý výstupek, viz obr. 2.10 [4].

Obr. 2.9 Rozdílná rychlost růstu jednotlivých ploch krystalu [5]

Obr. 2.10 Teoretický rozbor počátku růstu dendritu [5]

_____________________________________________________________________________

19 Druhy primárních krystalů:

Globulity (kulovité krystaly) - nejsou běžně vyskytující se strukturou, jelikož požadovaných podmínek pro jejich vznik nelze snadno dosáhnout. První podmínkou je, aby povrchové napětí mezi zárodkem a taveninou bylo vysoké. Druhá podmínka vyžaduje rovnoměrný odvod uvolňovaného latentního tepla. Tento typ krystalů se vyskytuje jen výjimečně a to například při krystalizaci grafitu u tvárné litiny [2].

Kuluminární (sloupkovité) dendrity - jsou častěji vyskytující se strukturou při krystalizaci odlitků. Podmínkou jejich vzniku je, aby docházelo k velmi intenzivnímu odvodu tepla jedním směrem, vzniká tzv. transkrystalizace, viz obr. 2.11. Vznik sloupkovitých dendritů nevyžaduje vysoké povrchové napětí mezi zárodkem a taveninou. Důležité však je, aby měl odlitek zaoblené hrany, jinak dochází ke vzniku protáhlých krystalů. Jejich růst probíhá ve směru odvodu tepla [2].

a) vliv zaobleného rohu formy na strukturu odlitku b) vliv ostrého rohu formy na strukturu odlitku

Obr. 2.11 Schéma krystalizace odlitku [2]

Rovnoosé dendrity (polyedry) - vznikají při menším povrchovém napětí mezi zárodkem a taveninou a menší intenzitě odvodu tepla z tuhnoucí taveniny. Jejich orientace je náhodná, protože není přesně daný směr odvodu tepla z taveniny [2].

2.1.5 Možnosti ovlivňování krystalizace

Krystalizace je důležitý děj, jímž lze ovlivnit výslednou strukturu odlitku. Jemnější struktury, díky které má odlitek vyšší mechanické vlastnosti, lze dosáhnout pomocí vysokého přechlazení, s nímž souvisí vysoká rychlost ochlazování, resp. intenzita

_____________________________________________________________________________

20

odvodu tepla z taveniny. Intenzitu odvodu tepla z taveniny dále ovlivňuje typ slévárenské formy, resp. hodnota jejího součinitele tepelné akumulace bF (bF = (FFcF)^1/2). Další možností jak ovlivnit strukturu odlitku je očkování. Očkováním dosáhneme zvýšení počtu zárodků a tím pádem i jemnější struktury. Vibrace slévárenské formy jsou doposud málo používaným způsobem zjemňování struktury, kdy tlakové vlny zmenšují kritický rozměr zárodků [1].

2.2 Charakteristika hliníku a jeho slitin

Hliník je v zemské kůře jeden z nejrozšířenějších kovů (asi 8 %). Vyskytuje se ve sloučeninách jako bauxit, kryolit, korund, kaolin, ale pro jeho výrobu je nejvíce využívaný bauxit. Výroba hliníku je energeticky a technologicky poměrně náročná. Pro výrobu 1 t hliníku jsou potřeba cca 4 t bauxitu, 20 GJ tepelné energie a 14 MWh elektrické energie. Výrobu také komplikuje jeho vysoká afinita ke kyslíku [13].

Hliník a jeho slitiny se používají ve všemožných odvětvích průmyslu, avšak slévárenské a mechanické vlastnosti čistého hliníku nejsou moc dobré, proto pro technické použití mají větší význam jeho slitiny. Díky svým dobrým slévárenským vlastnostem jsou slévárenské slitiny hliníku vhodné pro všechny druhy lití, a lze je použít i pro odlévání tenkostěnných a tvarově složitých odlitků [6,7].

2.2.1 Čistý hliník

Hliník (chemická značka Al) je kov stříbřitě šedé barvy s teplotou tání 660 °C, který krystalizuje v kubické plošně centrované soustavě, díky čemuž se dobře tváří za tepla i za studena. Mezi jeho nejdůležitější fyzikální vlastnosti patří velmi dobrá tepelná a elektrická vodivost. Jejich hodnota závisí na čistotě hliníku. Hliník s čistotou 99,99 % a teplotě 20 °C má hodnotu tepelné vodivosti 235 W·m^-1·K^-1 a součinitel elektrické vodivosti 2,6·10^-8 Ω·m, což je cca 60 % elektrické vodivosti mědi. Další jeho velmi důležitou fyzikální vlastností je hustota 2699 kg·m^-3, která ho řadí do skupiny lehkých kovů (kovy s hustotou cca do 4500 kg·m^-3), mezí něž dále patří například hořčík, titan, beryllium [8,13].

Mechanické vlastnosti, v porovnání s těmi fyzikálními, nejsou moc dobré. Čistý hliník má mez pevnosti v tahu cca 100 MPa a tvrdost 20 až 40 HB, proto se používá spíše pro tváření. Tvářením za studena a následným rekrystalizačním žíháním dojde ke zjemnění

_____________________________________________________________________________

21

zrna a ke zlepšení mechanických vlastností. Mechanické vlastnosti rovněž ovlivňuje čistota hliníku. Plastické vlastnosti hliníku lze naopak považovat za velmi dobré (jako u všech kovů s kubickou plošně centrovanou mřížkou) [8,13].

Významnou chemickou vlastností hliníku je jeho afinita ke kyslíku. Hliník tvoří s kyslíkem velmi stabilní oxid hlinitý (Al2O3), který se vytvoří na povrchu součásti při styku se vzduchem a chrání ji před další oxidací [13].

Ze slévárenských vlastností stojí za zmínku slévatelnost, která rovněž není příliš dobrá. Dalšími významnými vlastnostmi hliníku pro slévárenství jsou vysoká měrná tepelná kapacita cca 0,9 kJ·kg·K^-1 a vysoké skupenské teplo tání cca 396 kJ·kg^-1, jejichž důsledkem je příprava taveniny energeticky náročná. Kvůli těmto vlastnostem se používají spíše slitiny hliníku, u nichž přísadové prvky zlepšují technologické i mechanické vlastnosti [13].

Tab. 2.1 Základní vlastnosti čistého hliníku [7,13]

Mez pevnosti v tahu cca 100 [MPa]

Hustota 2699 [kg·m^-3]

Tvrdost 20 až 40 [HB]

Teplota tání 660 [°C]

Tepelná vodivost při 20 °C 235 [W·m^-1·K^-1] Součinitel elektrické vodivosti při 20 °C 2,6 · 10^-8 [Ω·m]

Součinitel teplotní roztažnosti při 20 °C 24,9 · 10^-5 [K^-1]

Měrná tepelná kapacita cca 0,9 [kJ·kg·K^-1]

Skupenské teplo tání cca 396 [kJ·kg^-1]

Krystalická mřížka kubická plošně centrovaná

2.2.1.1 Výroba čistého hliníku

První, kdo laboratorně získal malé množství hliníku, byl dánský chemik Hans Christian Oersted v roce 1825. O 29 let později, v roce 1854, bylo vyrobeno větší množství francouzským chemikem Henry Etienem Saint-Claire Devillem, který vynalezl sice levnější, ale stále nákladný způsob výroby. Současný způsob výroby hliníku

_____________________________________________________________________________

22

elektrolytickou redukcí z bauxitu byl objeven až v roce 1886. Tuto metodu si nechali, nezávisle na sobě, patentovat Francouz Paul Louis-Toussaint Héroult a Američan Charles Martin Hall. Průmyslová výroba byla zahájena v letech 1887-1888. Dnes lze výrobu hliníku rozdělit do dvou (tří) kroků [6,13].

Prvním krokem je výroba oxidu hlinitého (Al2O3), který se nejčastěji redukuje z bauxitu. Oxid hlinitý lze z bauxitu získat několika způsoby, ale tím nejlepším je Bayerova metoda. Ta spočívá v loužení oxidu hlinitého z bauxitu pomocí roztoku hydroxidu sodného, za vzniku hlinitanu sodného (NaAlO2). Ten se následně pomocí hydrolýzy rozkládá a vylučuje se hydroxid hlinitý (Al(OH)3), jenž se kalcinací zbavuje vody a vzniká oxid hlinitý [8].

Druhým krokem je výroba surového hliníku. Ten se vyrábí elektrolýzou oxidu hlinitého rozpuštěného při teplotě cca 950 °C v kryolitu (fluorid hlinitosodný; Na3AlF6; snižuje teplotu tání oxidu hlinitého cca na polovinu) [5,8].

Posledním krokem je rafinace surového hliníku, který má čistotu 99,5 %, již je nutno pro speciální aplikace ještě zvýšit. K nejčastějším nečistotám v hliníku patří intermetalické fáze na bázi železa, křemíku, mědi, manganu, vanadu, titanu a zinku, které jsou obsaženy v oxidu hlinitém nebo se do něj dostávají při výrobě. Častý způsob rafinace je pomocí elektrolýzy. Tímto procesem získáváme hliník s čistotou 99,99 %, který lze využít například v elektrotechnice [5,8].

2.2.1.2 Použití čistého hliníku

Čistý hliník, vzhledem k jeho nízkým mechanickým vlastnostem, má omezené použití v technické praxi. Pro technickou praxi jsou výhodnější hliníkové slitiny, které mají lepší slévárenské i mechanické vlastnosti. I přesto se čistý hliník používá ve zdravotnictví, farmacii, strojírenství a dalších průmyslových oborech [7,9].

Zhruba 60 % hliníku se používá k výrobě plechů, ze zbylých cca 40 % se vyrábí tyče, dráty, fólie, atd. Kvůli své tepelné vodivosti a odolnosti proti korozi v kyselém prostředí nachází uplatnění v chemickém a potravinářském průmyslu. Dříve se hliník využíval jako vodič elektrického proudu, ale v dnešní době se pro tento účel využívá spíše měď. Své důležité místo má v elektrotechnice jako materiál pro výrobu elektrických kondenzátorů.

Zajímavou technologií, která pracuje s hliníkem, je alitování (sycení povrchu hliníkem).

Tato technologie chrání povrch součástí z ocelí a slitin zinku proti korozi a okujení [10].

_____________________________________________________________________________

23

2.2.2 Slitiny hliníku

Slitiny hliníku se třídí podle různých kritérií. Nejčastější se setkáváme s dělením podle způsobu zpracování, to znamená na slitiny určené k tváření nebo pro odlitky [10].

Nejjednodušeji je lze rozdělit podle počtu přísadových prvků. Tímto způsobem lze slitiny rozčlenit na: binární (dvousložkové; obsahují pouze základní a hlavní přísadový prvek), ternární (třísložkové; obsahují základní, hlavní a jeden vedlejší přísadový prvek), vícesložkové (obsahují více než dva vedlejší přísadové prvky) [13].

Další dělení slitin je založeno na jejich tepelné zpracovatelnosti. Podle toho je lze rozdělit na vytvrditelné a nevytvrditelné. Tuto schopnost také ovlivňuje chemické složení slitin, tj. jejich poloha v rovnovážném diagramu. Dále je vytvrditelnost podmíněna dostatečným přesycením tuhého roztoku na bázi hliníku přísadovými prvky. Tohoto stavu lze dosáhnout rychlým ochlazením slitiny z oblasti tuhého roztoku α. Pro binární slitiny je tento způsob dělení naznačen na obr. 2.12 [10].

Obr. 2.12 Schéma obecného rovnovážného diagramu binárních slitin hliníku [11]

2.2.2.1 Vliv prvků ve slitinách hliníku

Přísadové prvky a případné nečistoty z výroby ovlivňují výsledné slévárenské, mechanické, korozní vlastnosti slitin. Prvky, které se nejčastěji vyskytují ve slévárenských slitinách hliníku, jsou [6]:

_____________________________________________________________________________

24

Křemík - ve slévárenských slitinách zužuje interval tuhnutí a zlepšuje téměř všechny slévárenské vlastnosti. S rostoucím obsahem křemíku se zvyšuje zabíhavost, korozní odolnost, snižuje se nebezpečí trhlin za tepla. Dále se zlepšují kluzné vlastnosti a odolnost proti otěru. Díky těmto vlastnostem jsou slitiny Al - Si jedny z nejvíce používaných ve slévárenství [13].

Měď - ve slitinách hliníku obecně zlepšuje jejich pevnost, tvrdost a tepelnou vodivost, ale naopak snižuje jejich odolnost proti korozi a zhoršuje slévárenské vlastnosti [6].

Hořčík - zvyšuje pevnost i tvrdost u tepelně zpracovatelných slitin Al - Si a složitějších slitin obsahujících měď, nikl a další prvky. Binárních slitiny Al - Mg se používají v aplikacích, které vyžadují dobrý povrch odlitků a jejich odolnost proti korozi [6].

Mangan - se ve slévárenských slitinách používá ze dvou hlavních důvodů. Hlavním úkolem manganu ve slitinách Al - Si je kompenzace nepříznivého vlivu železa, jež tvoří ve slévárenských slitinách jehlice. Po přidání manganu vzniknou kompaktní částice, zvýší se mechanické vlastnosti a sníží se křehkost. Dále se uplatňuje při tlakovém lití odlitků, kde lze manganem nahradit železo a snížit tak lepení slitiny na stěny forem [6,13].

Zinek - nepatří mezi obvyklé legury slitin hliníku a jeho použití nepřináší žádné významné výhody. Zinek sice zvyšuje zabíhavost, tekutost a obrobitelnost, ale zároveň zvyšuje sklon k trhlinám [6,13].

Železo - se při tlakovém lití využívá kvůli snížení lepení kovu na stěny formy. Při vyšším obsahu ve slitině zhoršuje obrobitelnost, odolnost proti korozi a tažnost [13].

Nikl - je obvykle přidáván společně s mědí z důvodu zlepšení vlastností za vyšších teplot.

Další dobrou vlastností je to, že snižuje koeficient teplotní roztažnosti. Slévárenské vlastnosti se s vyšším obsahem niklu zhoršují [6,13].

Titan - je využíván pro zjemnění zrna. Jeho očkovací účinek se zvyšuje přítomností bóru.

Díky zjemnění zrna mírně zlepšuje obrobitelnost, odolnost proti korozi a možnost povrchové úpravy odlitků [13].

Fosfor - se používá jako očkovadlo u nadeutektických siluminů. Zjemněním struktury dojde ke zlepšení obrobitelnosti a ke zvýšení mechanických vlastností, zvláště u slitin s vysokým obsahem křemíku [13].

Lithium - je kov s velmi nízkou hustotou, proto se používá ve slitinách s hliníkem nebo i hořčíkem za účelem snížení jejich hustoty. Jeho vysoká reaktivnost způsobuje metalurgické a technologické problémy při výrobě [13].

_____________________________________________________________________________

25

Ostatní přísadové prvky, například berylium, vanad, stříbro a další se používají jen výjimečně. Nežádoucí prvky, mezi které se řadí třeba vápník, se dostávají do slitin spolu s dalšími prvky. Tyto nečistoty v malém množství nemají na výslednou slitinu téměř žádný vliv [13].

2.2.2.2 Vybrané typy slévárenských slitin hliníku

Slévárenské slitiny hliníku jsou vhodné jak pro gravitační, tak pro tlakové lití do pískových i kovových forem. Sléváním se vyrábí především tvarově složité odlitky, které však mají obvykle nižší mechanické vlastnosti než výrobky tvářené. Je důležité podotknout, že výsledné vlastnosti a struktura odlitku nezáleží pouze na chemickém složení slitiny, ale také na podmínkách tuhnutí, resp. krystalizace, druhu odlévání, typu formy atd. Významnými slévárenskými slitinami hliníku jsou [10]:

a) Slitiny typu Al - Si

Slitiny tohoto typu patří k nejdůležitějším slévárenským slitinám hliníku a nazývají se siluminy. Tyto slitiny lze rozdělit podle obsahu křemíku na podeutektické (obsahují 4,5 až 10 % Si), eutektické (obsahují 10 až 13 % Si) a nadeutektické (vyšší obsah křemíku než 13%). Na obr. 2.13 je rovnovážný diagram Al - Si a na obr. 2.14 je struktura siluminů s různým obsahem křemíku [7].

Obr. 2.13 Rovnovážný diagram Al - Si [12]

_____________________________________________________________________________

26

Obr. 2.14 Strutura slitin Al - Si [12]

Binární (dvousložkové) siluminy se nejvíce používají jako podeutektické a eutektické. Kromě hliníku a křemíku obsahují řádově v desetinách procenta železo a mangan. Ostatní prvky jsou zastoupeny v malém množství (převážně pod 0,1 %) [13].

Siluminy eutektického složení dobře vyplňují formu, málo se smršťují, mají velmi dobrou zabíhavost a malou náchylnost k tvorbě trhlin za tepla. Díky těmto vlastnostem se hodí pro tlakové lití tenkostěnných odlitků. Slitiny podeutektického složení, které mají nižší zabíhavost, se používají pro lití tvarově jednoduchých odlitků do pískových forem. Slitiny nadeutektického složení mají nízký součinitel tepelné roztažnosti, což je výhodné pro odlitky pracující při vyšších teplotách [7].

Siluminy se často modifikují a očkují. Tím se upravuje struktura vyloučeného křemíku a velikost zrna odlitků. To přispívá ke zvýšení mechanických vlastností (tažnost, pevnost). Pokud se modifikace neprovede, tak křemík krystalizuje v podobě dlouhých jehlic, a to způsobuje křehkost odlitku [7].

Vlastnosti siluminů se dají také upravovat přidáním dalších přísad. Ke zvýšení tvrdosti se používá hořčík a měď, které takto vzniklé slitiny Al - Si - Mg a Al - Si - Cu umožňují vytvrzovat. Přidáním těchto přísad dochází však ke zhoršení slévárenských vlastností. Přidáním dalších přísad (Mn, Ti, Zn, Ni) vznikají siluminy s některými zlepšenými vlastnostmi, viz kapitola Vliv prvků ve slitinách hliníku. Z těchto siluminů jsou odlévány tvarově složité a tenkostěnné odlitky, např. skříně spalovacích motorů a převodovek, písty a hlavy válců, disky kol [10].

_____________________________________________________________________________

27 b) Slitiny typu Al - Cu

Slitiny tohoto typu se nazývají duraluminy. Obsah mědi v těchto slitinách se obvykle pohybuje v rozmezí 4-5 %. Výhodou slitin tohoto typu je to, že u nich lze provádět vytvrzování nejen za tepla, ale i za studena. Další předností těchto slitin je, že mají vysokou pevnost, a to i za vyšších teplot, proto se využívají například pro výrobu hlav válců a pístů. Naopak k nevýhodám těchto slitin patří horší slévárenské vlastnosti v porovnáním se siluminy a špatná korozní odolnost. Horší slévárenské vlastnosti lze zlepšit přidáním křemíku, ovšem za cenu podstatného snížení pevnostních vlastností.

Kvůli špatné korozní odolnosti je nutná povrchová ochrana. Binární slitiny se používají zřídka. Tento typ slitin obvykle obsahuje ještě nikl, hořčík případně křemík [10,11,13].

c) Slitiny typu Al - Mg

Slitiny tohoto typu se nazývají hydronália. Obsahují obvykle 3-9 % hořčíku, mají poměrně dobré mechanické vlastnosti a používají se pro rázově namáhané odlitky s náhlými změnami průřezu a pro odlitky odolávající koroznímu prostředí, především mořské vodě. Jejich obrobitelnost je lepší než u slitin Al - Si. Jsou dobře leštitelné a výborně se eloxují (vytvoření ochranné vrstvy Al2O3 na povrchu odlitku) [7,10,13].

Metalurgicky a technologicky je jejich odlévání náročné, protože mají sklon k naplyňování, oxidaci a vzniku trhlin. Mají horší slévárenské vlastnosti než u siluminy.

Přidáním křemíku do těchto slitin lze zlepšit zabíhavost, ale pouze za cenu snížení tažnosti. Používají se pro výrobu dekorativních předmětů, ozdobných dílů aut, lodní kování [7,10].

d) Slitiny typu Al - Zn

Slitiny tohoto typu obsahují 5-7 % zinku a obvykle ještě do 1 % hořčíku. Tyto slitiny se samovolně vytvrzují za studena. Z technologických vlastností je důležitá vysoká rozměrová stabilita, dobrá obrobitelnost a odolnost proti korozi. Tyto slitiny jsou však náchylné ke korozi pod napětím a mají sklon k praskání za tepla. Kvalita povrchu po obrobení nebo po eloxování je vynikající. Slévárenské vlastnosti nejsou moc dobré [13].

_____________________________________________________________________________

28

2.2.2.3 Slitina AlSi12

Jak bylo napsáno v kapitole Vybrané typy slévárenských slitin hliníku, tak eutektické siluminy, ke kterým slitina AlSi12 patří, disponují velmi dobrými slévárenskými vlastnostmi. Málo se smršťují, dobře vyplňují formu, mají velmi dobrou zabíhavost, nízkou teplotu tavení (577 °C bez modifikačního účinku, 560 °C s modifikačním účinkem). Tato slitina je odolná proti korozi a dobře se obrábí, avšak není vytvrditelná.

Slitina AlSi12 se nejčastěji odlévá do pískových nebo kovových forem pomocí gravitačního nebo nízkotlakého lití. Používá se pro výrobu tenkostěnných odlitků, jež mají vysokou korozní odolnost [13].

2.2.2.4 Modifikace a očkování slitin hliníku

Cílem modifikace a očkování je ovlivnění mikrostruktury (zjemnění primárně vyloučených, křehkých nebo lehce tavitelných fází) a makrostruktury (zjemnění licí struktury) slitiny. K těmto změnám struktury dochází, aniž by došlo ke změně chemického složení slitiny [7].

Modifikace slévárenských slitin je metalurgické zpracování taveniny za účelem ovlivnění morfologie (vzhledu) eutektického křemíku, který se tím vylučuje ve formě velmi jemných částic a ne v nepříznivých jehlicích. Očkování je také metalurgické zpracování taveniny za účelem zjemnění makrostruktury (zrn, jež vznikají přímo z taveniny) odlitku [7].

Modifikace se provádí pomocí modifikátorů. Ty zvyšují stupeň přechlazení taveniny, což umožňuje vznik menších krystalizačních zárodků. Jako modifikátory se používají prvky sodík, stroncium, baryum, draslík, antimon. Siluminy se modifikují tak, že se do taveniny ohřáté na modifikační teplotu přidá určité množství sodíku nebo solí, jež sodík uvolňují (NaCl + KCl + NaF). Možná je i kombinace sodíku a solí. Zajímavé výsledky vykazuje modifikace antimonem, kterého stačí přidat malé množství (0,2 %). Jeho modifikační účinek se v porovnání se sodíkem s časem nemění [7].

Očkování se provádí pomocí očkovadel, která zmenšují makrozrno odlitku.

K očkovadlům se řadí prvky fosfor, titan, bór. Při očkování se kovová očkovadla ponoří do taveniny a zamíchají, očkovací soli se přidávají na hladinu a zvonem se ponoří ke dnu.

Očkováním a modifikací dosáhneme zjemnění struktury (makrostruktury, mikrostruktury) a tím pádem zlepšených mechanický vlastností odlitků [7,13].

_____________________________________________________________________________

29

2.2.2.5 Tepelné zpracování odlitků ze slitin hliníku

Cílem tepelného zpracování je zvýšení mechanických vlastností, snížení vnitřního pnutí nebo ovlivnění způsobu rozložení prvků ve struktuře odlitků. Nejvíce používaným tepelným zpracováním odlitků z hliníkových slitin je vytvrzování, podle něhož se i dělí na vytvrditelné a nevytvrditelné. Méně častým způsobem tepelného zpracování odlitků ze slitin hliníku je žíhání [13].

a) Žíhání

Cílem žíhání je odstranit negativní vlivy předchozích operací na strukturu odlitku.

Všechny druhy žíhání mají stejný technologický postup, který lze rozdělit do tří kroků:

1. Ohřev na žíhací teplotu;

2. Výdrž na žíhací teplotě;

3. Pomalé ochlazování na vzduchu nebo v peci [8].

Po odlévání se uplatňují následující typy žíhání:

Žíhání na odstranění vnitřního pnutí - se provádí při žíhacích teplotách 200-250 °C s výdrží 6 až 8 hodin a následujícím pomalým ochlazováním v peci nebo na vzduchu.

Zahřátím na 250-350 °C docílíme úplného odstranění vnitřního pnutí, ale při těchto teplotách může dojít ke snížení pevnosti. Vnitřní pnutí souvisí s nestejně rychlým chladnutím různých průřezů, tuhou konstrukcí odlitku, nepoddajnou formou [13].

Stabilizační žíhání - je používáno u odlitků pracujících za vyšších teplot, nebo když dochází ke kolísání teplot. Cílem tohoto typu žíhání je rozměrová stabilizace, případně stabilizace mechanických vlastností. Stabilizační žíhání se provádí při teplotách 240-350 °C (vyšší než maximální pracovní teplota odlitku). Ochlazování se provádí nejčastěji na vzduchu [13].

Homogenizační žíhání - se provádí při velmi vysokých teplotách (blízko teplotě solidu).

Výdrž na žíhací teplotě závisí na chemickém složení a na struktuře slitiny. V případě tvářených slitin s jemnozrnnou strukturou je to cca 1 hod., u hrubozrnné licí struktury 3-16 hod. a u ingotů až 40 hod. Ochlazování se provádí v peci nebo na vzduchu. Cílem je odstranění heterogenní struktury vznikající při tuhnutí, resp. krystalizaci odlitku [8].

_____________________________________________________________________________

30

Žíhání na měkko - se provádí při teplotách 350-450 °C. Ochlazování na teplotu cca 200 °C probíhá v peci a dále už na vzduchu. Používá se u vytvrzených odlitků, ale obvykle moc používané není [13].

b) Vytvrzování

Vytvrzování je nejvýznamnější způsob tepelného zpracování odlitků z hliníkových slitin. Cílem je zvýšení pevnosti a tvrdosti převážně u odlitků litých gravitačně do pískových nebo kovových forem. Aby bylo možné slitinu vytvrzovat, musí obsahovat přísadový prvek, který má dostatečně výraznou změnu rozpustnosti v tuhém roztoku α (Al). Přísadové prvky, jež tuto podmínku splňují, jsou Cu, Mg, Ni, Zn. Další podmínka, kterou tyto přísadové prvky musí splňovat, se týká jejich obsahu ve slitině, který musí být vyšší, než je jejich rozpustnost při normální ale nižší, než je maximální rozpustnost v tuhém roztoku α (Al) při eutektické teplotě. Celý proces vytvrzování lze rozdělit do tří hlavních kroků [13].

Prvním krokem je rozpouštěcí žíhání, jež se skládá z ohřevu na vhodnou rozpouštěcí teplotu (v praxi 10 až 15 °C pod eutektickou teplotou) a následné výdrži na této teplotě.

Během výdrže na rozpouštěcí teplotě dochází k rozpouštění intermetalických fází obsahujících vytvrzující přísadové prvky [13,14].

Druhým krokem je rychlé ochlazení kritickou nebo nadkritickou rychlostí, aby došlo ke vzniku přesyceného tuhého roztoku. Tato rychlost se nazývá kritická, protože je to nejmenší rychlost, při níž ještě nedochází k rozpadu přesyceného tuhého roztoku [14].

Posledním krokem je tzv. stárnutí. To je proces, při kterém dochází k rozpadu přesyceného tuhého roztoku. Tím dochází ke změně mechanických, fyzikálních i technologických vlastností. Může se realizovat buď za pokojové teploty (přirozené stárnutí), nebo za zvýšených teplot (umělé stárnutí) [7,14].

_____________________________________________________________________________

31

3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST PRÁCE

Experimentální část této práce byla zaměřena na sledování krystalizace slévárenské slitiny AlSi12. V první části byla tato slitina odlita do pískové a kovové formy (kokily).

Do pískové formy byl odlit jeden odlitek a do kovové formy dva odlitky, přičemž první do studené kovové formy (25 °C) a druhý do teplé kovové formy (200 °C). V této části práce se hodnotí vliv formy na strukturu odlitku.

Dále byly odlity dva zkušební odlitky do kovové formy o teplotě 25 °C pro odlévání odlitků zkušebních tyčí o průměru 9 mm a 22 mm. U těchto odlitků byl hodnocen vliv průměru na jeho strukturu. V rámci vyhodnocení experimentů bylo provedeno měření tvrdosti odlitků litých do kovové a pískové formy.

3.1 Charakteristika použitých slévárenských forem

Písková forma byla zhotovena z formovací směsi, která byla ručně formována na model. Tvar modelu byl válec o  62 x 70 mm. Po zaformování a vyjmutí modelu vznikla dutina pro budoucí odlitek. Formovací směs se skládala z křemenného ostřiva, bentonitového pojiva a vody. Tento typ formy patří mezi netrvalé. To znamená, že po ztuhnutí taveniny se odlitek „vytluče“, což vede ke zničení formy. Na obr. 3.1 je písková forma připravená pro odlévání.

Kovová forma měla tvar válce o rozměrech 114 x 105 mm a byla vyrobena z litiny s lupínkovým grafitem. Dutina formy měla rozměry  62 x 70 mm. Forma byla vyrobena tradičním třískovým obráběním. Líc formy byl ošetřen ochranným nástřikem.

Tento typ formy patří mezi trvalé, což znamená, že se používají pro velké série odlitků.

Na obr. 3.2 je použitá kovová forma.

Obr. 3.1 Písková slévárenská forma

_____________________________________________________________________________

32

Obr. 3.2 Kovová slévárenská forma

3.2 Metalurgická příprava taveniny

Slitina, jež byla použita pro experimentální část této práce, má označení EN AC - AlSi12. Roztavení hutnické housky této slitiny bylo provedeno ve skříňové odporové peci Clasic. Před odlitím byla z povrchu taveniny odstraněna struska a změřena teplota pomocí digitálního teploměru GTH 1100, u kterého byl použit termočlánek NiCr - Ni. Tavenina byla před odlitím modifikována rafinační solí T3 a odlita z teploty 720 °C z grafitového kelímku o objemu 2 dm³. Na obr. 3.3, 3.4, 3.5 a 3.6 jsou již hotové odlitky.

Obr. 3.3 Odlitek připravený v pískové formě

_____________________________________________________________________________

33

Obr. 3.4 Odlitek připravený v kovové formě o teplotě 25 °C

Obr. 3.5 Odlitek připravený v kovové formě o teplotě 200 °C

_____________________________________________________________________________

34

Obr. 3.6 Zkušební odlitky o průměrech 9 mm a 22 mm odlité do kvové formy (25 °C)

3.3 Příprava metalografických vzorků

Příprava metalografických vzorků byla provedena v souvislosti s následným mikroskopickým pozorováním. Prvním krokem pro vytvoření metalografických vzorků bylo mechanické oddělení malé části odlitku. Následně byly tyto oddělené části umístěny do metalografických plastových forem a zality do dentakrylové pryskyřice, viz obr. 3.7 a 3.8. Po jejím ztuhnutí byly takto připravené vzorky broušeny pomocí stroje PHOENIX 4000 na brusných papírech o zrnitosti 120, 240, 400, 600 a 800. Po broušení následovalo leštění na témže stroji za pomoci plstěného kotouče a za použití diamantové suspenze.

Posledním krokem před metalografickým pozorováním bylo leptání povrchu 5 % kyselinou chlorovodíkovou, aby došlo k důkladnému zviditelnění struktury. Na obr. 3.9 jsou již hotové metalografické vzorky, jež jsou připraveny k metalografickému pozorování. Stroj PHOENIX 4000 je zobrazen při broušení na obr. 3.10. Přehled vzorků, které byly pozorovány, je v tab. 3.1.

_____________________________________________________________________________

35

Obr. 3.7 Odebrané vzorky v metalografických plastových formách

Obr. 3.8 Vzorky zalité do dentakrylové pryskyřice

Obr. 3.9 Hotové metalografické vzorky (zleva 1, 2, 3, 4, 5)

Obr. 3.10 Brousící a leštící stroj PHOENIX 4000

_____________________________________________________________________________

36

Tab. 3.1 Přehled metalografických vzorků

Označení vzorku Popis vzorku

1 Zkušební odlitek, průměr 22 mm, kovová forma (25 °C) 2 Zkušební odlitek, průměr 9 mm, kovová forma (25 °C) 3 Odlitek, písková forma (25 °C)

4 Odlitek, kovová forma (25 °C) 5 Odlitek, kovová forma (200 °C)

3.4 Metalografické pozorování struktury vzorků

Pozorování struktury hotových metalografických vzorků bylo prováděno pomocí světelného mikroskopu NEOPHOT 21, viz obr. 3.11. K tomuto mikroskopu je připojena kamera, díky níž lze přenést obraz struktury vzorku na monitor počítače. Vyhodnocení a pořízení obrázků struktury metalografických vzorků probíhalo pomocí softwaru NIS ELEMENT AR. Pozorováno bylo všech pět vzorků při různých zvětšeních, konkrétně při 100, 250 a 500 násobném.

Obr. 3.11 Světelný mikroskop NEOPHOT 21

_____________________________________________________________________________

37

Vzorek číslo 1 - zkušební odlitek tvaru tyče  22 mm, na obr. 3.12 až obr. 3.14 je uvedena struktura slitiny AlSi12, odlévána do kovové formy o teplotě 25 °C.

Obr. 3.12 Struktura odlitku  22 mm, kovová forma (25 °C), slitina AlSi12, zvětšení 100x, leptáno v 5 % kyselině chlorovodíkové

Obr. 3.13 Struktura odlitku  22 mm, kovová forma (25 °C), slitina AlSi12, zvětšení 250x, leptáno v 5 % kyselině chlorovodíkové

_____________________________________________________________________________

38

Obr. 3.14 Struktura odlitku  22 mm, kovová forma (25 °C), slitina AlSi12, zvětšení 500x, leptáno v 5 % kyselině chlorovodíkové

Vzorek číslo 2 - zkušební odlitek tvaru tyče  9 mm, na obr. 3.15 až obr. 3.17 je uvedena struktura slitiny AlSi12, odlévána do kovové formy o teplotě 25 °C.

Obr. 3.15 Struktura odlitku  9 mm, kovová forma (25 °C), slitina AlSi12, zvětšení 100x, leptáno v 5 % kyselině chlorovodíkové

_____________________________________________________________________________

39

Obr. 3.16 Struktura odlitku  9 mm, kovová forma (25 °C), slitina AlSi12, zvětšení 250x, leptáno v 5 % kyselině chlorovodíkové

Obr. 3.17 Struktura odlitku  9 mm, kovová forma (25 °C), slitina AlSi12, zvětšení 500x, leptáno v 5 % kyselině chlorovodíkové

_____________________________________________________________________________

40

Vzorek číslo 3 - odlitek tvaru válce  62 x 70 mm, na obr. 3.18 až obr. 3.20 je uvedena struktura slitiny AlSi12, odlévána do pískové formy o teplotě 25 °C.

Obr. 3.18 Struktura odlitku  62 x 70 mm, písková forma (25 °C), slitina AlSi12, zvětšení 100x, leptáno v 5 % kyselině chlorovodíkové

Obr. 3.19 Struktura odlitku  62 x 70 mm, písková forma (25 °C), slitina AlSi12, zvětšení 250x, leptáno v 5 % kyselině chlorovodíkové

_____________________________________________________________________________

41

Obr. 3.20 Struktura odlitku  62 x 70 mm, písková forma (25 °C), slitina AlSi12, zvětšení 500x, leptáno v 5 % kyselině chlorovodíkové

Vzorek číslo 4 - odlitek tvaru válce  62 x 70 mm, na obr. 3.21 až obr. 3.23 je uvedena struktura slitiny AlSi12, odlévána do kovové formy o teplotě 25 °C.

Obr. 3.21 Struktura odlitku  62 x 70 mm, kovová forma (25 °C), slitina AlSi12, zvětšení 100x, leptáno v 5 % kyselině chlorovodíkové

_____________________________________________________________________________

42

Obr. 3.22 Struktura odlitku  62 x 70 mm, kovová forma (25 °C), slitina AlSi12, zvětšení 250x, leptáno v 5 % kyselině chlorovodíkové

Obr. 3.23 Struktura odlitku  62 x 70 mm, kovová forma (25 °C), slitina AlSi12, zvětšení 500x, leptáno v 5 % kyselině chlorovodíkové

_____________________________________________________________________________

43

Vzorek číslo 5 - odlitek tvaru válce  62 x 70 mm, na obr. 3.24 až obr. 3.26 je uvedena struktura slitiny AlSi12, odlévána do kovové formy o teplotě 200 °C.

Obr. 3.24 Struktura odlitku  62 x 70 mm, kovová forma (200 °C), slitina AlSi12, zvětšení 100x, leptáno v 5 % kyselině chlorovodíkové

Obr. 3.25 Struktura odlitku  62 x 70 mm, kovová forma (200 °C), slitina AlSi12, zvětšení 250x, leptáno v 5 % kyselině chlorovodíkové

_____________________________________________________________________________

44

Obr. 3.26 Struktura odlitku  62 x 70 mm, kovová forma (200 °C), slitina AlSi12, zvětšení 500x, leptáno v 5 % kyselině chlorovodíkové

3.4.1 Hodnocení struktury vzorků

Hodnocené struktury pěti metalograficky pozorovaných vzorků jsou uvedeny na obr.

3.12 až obr. 3.26. Jak bylo uvedeno dříve, ve všech případech se jedná o struktury slévárenské slitiny AlSi12. Jak je patrné z rovnovážného diagramu, viz obr. 2.15, struktura je tvořena směsí dvou tuhých roztoků ( a β). Protože je malá rozpustnost křemíku v hliníku, cca 1,65 hmot. %, pak se v rovnovážném diagramu označuje tuhý roztok  (Al). Podobně je tomu s rozpustností hliníku v křemíku, která je cca 0,5 hmot. %. Pak se analogicky v rovnovážném diagramu označuje tuhý roztok β (Si).

Tento poznatek byl využit při vyhodnocování struktur pěti sledovaných vzorků odlitků ze slitiny AlSi12.

Dále při hodnocení těchto struktur byl aplikován poznatek o vlivu akumulační schopnosti použitých slévárenských forem. Písková slévárenská forma vykazuje nižší součinitel akumulace tepla než forma kovová, proto odlitky tuhnoucí v kovové slévárenské formě vykazují jemnější strukturu v porovnání s odlitky zhotovenými v pískové formě. Při porovnání struktury zkušebních odlitků tvaru tyče různých průměrů se vycházelo z poznatku, že odlitky menších průměrů tuhnou rychleji a tím je jejich struktura jemnozrnnější. Vliv teploty kovové formy také ovlivňuje odvod tepla

_____________________________________________________________________________

45

z tuhnoucího odlitku. Jak je známo, pískové slévárenské formy vykazují nižší intenzitu odvodu tepla z tuhnoucího odlitku než formy kovové.

Na obr. 3.12 až obr. 3.26 lze vidět světlé a tmavé oblasti. Světlé oblasti jsou zrna substitučního tuhého roztoku křemíku v hliníku, kde převládá hliník, a tento substituční tuhý roztok se označuje α (Al). Tmavé oblasti jsou zrna substitučního tuhého roztoku hliníku v křemíku, kde převládá křemík, tento substituční tuhý roztok se označuje β (Si).

3.4.1.1 Sledování dendritické struktury vzorků

V současné době se pro sledování dendritické struktury používá kritérium DAS (dendrite arm spacing), které se stanovuje na základě metalografického pozorování. Na dané dendritické struktuře se vybere sekundární rozvětvení dendritu. Vlastní vyhodnocení DAS spočívá ve změření vzdálenosti několika sekundárních větví a ve vydělení jejich mezer, dle rovnice (5). Na obr. 3.27 je schéma dendritu pro výpočet kritéria DAS.

𝐷𝐴𝑆 = ^𝐿

𝑛−1 , (5)

kde značí: L - celkovou délku dendritu [µm]; n - celkový počet sekundárních os dendritu [1].

Obr. 3.27 Schéma pro stanovení kritéria DAS při hodnocení dendritické struktury odlitků [13]

Hodnocení kritéria DAS vzorků 1, 2, 3, a 4

Z uvedených příslušných struktur byly vypočítány podle vztahu (6) hodnoty kritéria DAS, jež jsou uvedeny v tab. 3.2. Získané hodnoty kritéria DAS byly statisticky vyhodnoceny, podle [15]. Byly vypočítány základní statistické údaje, jimiž jsou aritmetický průměr, směrodatná odchylka a variační koeficient. Pro jejich výpočet byly použity vztahy (6), (7) a (8).