Výroba odlitků progresivní technologií stlačením při krystalizaci

Výroba odlitků progresivní technologií stlačením při krystalizaci

Diplomová práce

Studijní program: B2301 – Strojní inženýrství Studijní obor: 2301R000 – Strojní inženýrství Autor práce: Bc.Vladislav Obychod

Vedoucí práce: prof. Ing. Iva Nová, CSc

.

Liberec 2020

5

Abstrakt

Diplomová práce je zpracovaná na téma: Výroba odlitků progresivní technologií stlačením při krystalizaci. Je rozdělena do tří částí – teoretické, výpočtové a experimentální. Teoretická část je zaměřena na obecné zákonitosti krystalizace kovů. Je zde popsán vliv zvýšeného tlaku na krystalizaci kovů. Dále popisuje slitinu hliníku Al-Si a vliv zvýšeného tlaku na její krystalizaci. Následně je uvedena charakteristika slitiny hliníku Al-Si- Mg. Výpočtová část se zabývá stanovením počtu atomů pro tvorbu krystalizačního zárodku čistého hliníku a dalších kovů. Výpočtová část je dále zaměřena na výpočet teploty tání čistého hliníku a křemíku v závislosti na tlaku. Experimentální část je primárně zaměřena na sledování mechanických vlastností slitiny AlSi5Mg která byla vyrobena progresivní technologií stlačení taveniny při její krystalizaci. Tato slitina je korozivzdorná a špatně slévárensky zpracovatelná.

Klíčová slova: krystalizace, nukleace, tlak, slitiny typu Al-Si, slévárenská forma, stlačení taveniny, metalografie.

Abstract

The diploma thesis is elaborated on the topic: „Production of castings by progressive technology by compression during crystallization“. Thesis is divided into three parts - theoretical, computational and experimental. The theoretical part is focused on the general laws of metal crystallization. The effect of elevated pressure on metal crystallization is described here. It also describes the aluminum alloy Al-Si and the effect of elevated pressure on its crystallization. Subsequently, the characteristics of the aluminium alloy Al-Si-Mg are given. The computational part deals with the determination of the number of atoms for the formation of the crystallization nucleus of pure aluminium and other metals. The calculation part is further focused on the calculation of the melting point of pure aluminium and pure silicon as a function of pressure. The experimental part is primarily focused on monitoring the mechanical properties of AlSi5Mg alloy, which was produced by progressive technology of melt compression during its crystallization. This alloy is corrosion-resistant and difficult to cast.

Keywords: crystallization, nucleation, pressure, Al-Si type alloys, casting mould, melt compression, metallography.

Poděkování:

Rád bych poděkoval vedoucí práce prof. Ing Ivě Nové, CSc. Za odbornou pomoc, cenné rady, ochotu a trpělivost při zpracování tohoto tématu. Moje poděkování dále patří celé rodině a mému okolí za podporu během celého studia

¨

7

OBSAH...7

1. ÚVOD ... 8

2. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE ... 10

2.1 Obecné zákonitosti krystalizace kovů ... 10

2.1.1 Homogenní nukleace ... 11

2.1.1.1 Výpočet atomů potřebných pro vznik kritické velikosti zárodku tvaru koule ... 15

2.1.2 Heterogenní nukleace ... 17

2.2 Vliv zvýšeného tlaku na krystalizaci tavenin kovů ... 18

2.2.1 Rovnovážná soustava Al-Si ... 21

2.2.1.1 Vliv tlaku na rovnovážnou soustavu Al-Si ... 22

2.2.1.2 Stanovení rozpustnosti křemíku v hliníku ... 25

2.3 Charakteristika použité slévárenské slitiny AlSi5Mg (Anticorodal 50) .. 26

2.4 Zařízení pro vyvozování stlačení na krystalizující taveninu ... 28

3. VÝPOČTOVÁ ČÁST PRÁCE ... 30

3.1 Stanovení počtu seskupených atomů pro tvorbu kritické velikosti krystalizačního zárodku ... 30

3.2 Výpočet teploty tání čistého hliníku v závislosti na tlaku ... 32

3.3 Stanovení změny teploty tání na tlaku při krystalizaci čistého křemíku ... 34

3.4 Výpočet rozpustnosti křemíku v hliníku ... 36

4. EXPERIMENÍTÁLNÍ ČÁST PRÁCE ... 38

4.1 Použitá metodika progresivní technologie výroby odlitků stlačením při krystalizaci ... 38

4.2 Charakteristika slévárenské formy ... 40

4.3 Charakteristika použité slévárenské slitiny a její metalurgická příprava ... 41

4.4 Metodika a provádění experimentů ... 43

4.5 Metalografické pozorování struktury slitiny AlSi5Mg po stlačení při krystalizaci ... 48

4.5.1 Zhodnocení metalografického pozorování struktury slitiny AlSi5Mg po stlačení při krystalizaci ... 51

4.6 Sledování pevnosti v tahu vzorků zkušebních tyčí vyrobených z odlitků ... 52

4.7 Charakteristika a hodnocení experimentů s použitím slévárenské slitiny krystalizující při eutektické přeměně AlSi12 (EN AC 44100) ... 54

5. DISKUSE VÝSLEDKŮ ... 57

6. ZÁVĚR ... 59

7. SEZNAM LITERATURY ... 61

1. ÚVOD

Slévárenství je výrobní odvětví, jehož počátky sahají do období 3. až 4. tisíciletí před naším letopočtem. V současné, moderní době slévárenství prochází rychlým vývojem. Velká pozornost je věnována novým metodám a postupům, které vedou hlavně k úspoře materiálu a energií. Zároveň je snaha o vytváření kvalitních odlitků s dobrými mechanickými a dalšími fyzikálními a užitnými vlastnostmi. Jednou z těchto metod je také progresivní metoda výroby konstrukčních dílů, resp. odlitků stlačením jejich materiálu při tuhnutí a krystalizaci. Odlitky vyrobené touto metodou se vyznačují hlavně velmi dobrými mechanickými vlastnostmi a zároveň neobsahují strukturní porezitu (porózitu).

Touto metodou se vyrábí odlitky z neželezných kovů, nejčastěji ze slitin hliníku.

Takto vyrobené odlitky vykazují i poměrně dobrou rozměrovou přesností, kvalitní povrch a jemnozrnnou kompaktní strukturou. Lze vyrábět odlitky s různou hmotností od 0,05 do 150 kg. Při samotném procesu odlévání se plní dutina slévárenské formy taveninou a ihned následně za soustavného působení tlaku tavenina tuhle a krystalizuje. V České republice existuje jediná slévárna, TOP Alulit, s.r.o. Benešov u Prahy, která používá tento proces výroby odlitků. Tato společnost ve spolupráci s Katedrou strojírenské technologie, Fakulty strojní, Technické univerzity v Liberci rozvinula tuto technologii, včetně specifického strojního vybavení.

Touto metodou se i nadále zabývají pracovníci Katedry strojírenské technologie Fakulty strojní TUL. S tím souvisí i řešení mé diplomové práce, která je řešena na téma „Výroba odlitků progresivní technologií stlačením při krystalizaci“. Tato diplomová práce navazuje na mou práci bakalářskou. V této bakalářské práci byla hlavní pozornost věnována charakteristice metody squeeze casting, technickému a výrobnímu zázemí. Diplomová práce je zaměřena i na aplikaci teoretických poznatků krystalizace, vlivu tlaku na krystalizaci slitiny Al-Si.

V teoretické části byly provedeny experimenty se slitinou AlSi5Mg, která je klasickým slévárenským způsobem špatně zpracovatelná. Aplikací metody stlačením taveniny při její krystalizaci se očekávaly příznivé výsledky se zpracovatelností této slitiny. Diplomová práce bude obsahovat ještě výpočtovou část, kde budou provedeny různé výpočty vztahující se ke krystalizaci a vlivu

9

tlaku na krystalizaci. V experimentální části mimo jiné, bude vyhodnocena struktura vyrobeného hliníkového dílu touto progresivní metodou.

Řešení této diplomové práce bylo ovlivněno mimořádnými okolnostmi, které byly vyvolány nouzovým stavem naší republiky v rámci celosvětové pandemie

korona viru.

2. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE

2.1 Obecné zákonitosti krystalizace kovů

Obecně je krystalizace definována jako přechod kapalné fáze do tuhé za vzniku krystalické struktury. V případě krystalizace při stlačení taveniny se též vytváří krystalizační zárodky, které jsou termodynamicky ovlivňovány působení tlakové síly na tuhnoucí taveninu. Tyto silové poměry ovlivňují dosažení malé velikosti krystalizačních zárodků, které následně rostou. Krystalizace vychází ze základní termodynamické podmínky fázového přechodu. Krystalizační děj je závislý na změně vnějších podmínek. Z hlediska termodynamiky procesu rozhodujícím činitelem je hodnota Gibbsovy energie. Tavenina se snaží dosáhnout stabilního stavu a získat minimální hodnotu Gibbsovy energie ΔG. Na obr. 2-1 je znázorněno schéma průběhu Gibbsovy energie kapalné a tuhé fáze v závislosti na teplotě. Ze schématu můžeme vyčíst, že čím nižší hodnota Gibbsovy energie při určité teplotě bude, tím bude fáze stabilnější. Jak je obecně známo, daný děj může probíhat pouze tehdy, pokud Gibbsova energie klesá nebo změna Gibbovy energie je záporná (ΔG < 0). Pro dosažení záporné hodnoty Gibbsovy energie, nebo jejího zmenšování, je nutné uvést taveninu do stavu podchlazení (přechlazení). Tím se zajistí dynamika procesu krystalizace. Krystalizační proces se skládá z dvou hlavních kroků: nukleace (vytváření krystalizačních zárodků) a růst krystalizačních zárodků.

Obr 2-1 Schéma závislosti Gibbsovy energie na teplotě pro taveninu (l) a tuhou fázi (s), s vyznačením hodnoty podchlazení ∆T a odpovídajících hodnot Gibbsových energií pro taveninu G(l) a tuhou fázi G(s); ∆G = G(s) - G(l) < 0, [2]

11

Podrobněji lze proces krystalizace rozdělit do tří fází, nejprve se atomy shlukují, když se spojí dostatečný počet atomů vzniká zárodek, který poté roste, tento průběh je znázorněn na obr. 2-2.

Obr. 2-2 Schéma vzniku krystalizačního zárodku v tavenině kovů [2]

Krystalizace kovů je též difuzní fázová přeměna, proces můžeme rozdělit od dvou stádií. První stádium je vznik krystalizačního zárodku a následně jeho růst.

Krystalizační zárodky vznikají nukleací. Jak je obecně známo, rozlišují se dva druhy nukleace: homogenní a heterogenní. Homogenní nukleací se rozumí vznik krystalů z čisté taveniny bez přítomnosti cizích částic. U homogenní nukleace je zapotřebí větší množství atomů, tudíž je homogenní nukleace energeticky náročnější oproti heterogenní nukleaci kde k tvorbě krystalu dochází na povrchu pevných fázi, například cizích částic. Homogenní nukleace se v praxi téměř nevyužívá, oproti tomu heterogenní nukleace je velmi častá, mohou ji způsobit například nečistoty v tavenině nebo úlomky pecní vyzdívky, atd. Dále lze záměrně přidat do taveniny cizí částice za účelem rychlejšího vzniku a růstu krystalů, tento proces se nazývá očkování nebo modifikace taveniny.

2.1.1 Homogenní nukleace

Homogenní, neboli samovolná nukleace vzniká v tavenině v důsledku místního kolísání teploty, které vede k podchlazení taveniny a následně k přechodu z tekuté do tuhé fáze. Princip homogenní nukleace spočívá ve změně Gibbsovy energie ∆𝐺𝐺_𝑧𝑧 která je úměrná s prací potřebnou k vytvoření zárodku v kapalné fázi, [2]:

∆𝐺𝐺_𝑧𝑧 = 𝑉𝑉_𝑧𝑧· ∆𝐺𝐺_𝑣𝑣+ 𝑆𝑆_𝑧𝑧· 𝜎𝜎 [𝐽𝐽], (1) kde značí : ∆𝑮𝑮_𝒛𝒛- změnu Gibbsovy energie [J]; 𝑽𝑽_𝒛𝒛- objem zárodku [𝑚𝑚²]; ∆𝑮𝑮_𝒗𝒗 - změnu Gibbsovy energie pro objem zárodku [𝐽𝐽. 𝑚𝑚⁻³]; 𝝈𝝈 - povrchové napětí zárodku [𝑁𝑁. 𝑚𝑚⁻¹].

Další důležitou veličinou je kritická velikost zárodku r^KRIT. Kritickou velikost zárodku lze odvodit na základě obr. 2-3. Z tohoto obrázku jsou patrné tři křivky.

Jedna značí energii povrchu zárodku, druhá značí energii objemu zárodku, třetí je výsledek obou těchto křivek, tj. průběh Gibbsovy energie pro vznik a růst zárodku. Též je z obrázku zřejmé, že pro krystalizaci taveniny je důležitá veličina rKRIT.

Obr. 2-3 Závislost kritické velikosti zárodku na hodnotě Gibbsovy energie, [2]

Obr. 2-4 Znázornění předpokládaného vzniklého zárodku ve tvaru koule [2]

Hodnotu změny Gibbsovy energie, která charakterizuje přechod taveniny kovu do krystalického stavu, lze odvodit pomocí vzorce (2) za předpokladu, že zárodek bude tvaru koule.

∆𝐺𝐺_𝑧𝑧 = −⁴₃ · 𝜋𝜋 · 𝑟𝑟³· ∆𝐺𝐺_𝑣𝑣+ 4 · 𝜋𝜋 · 𝑟𝑟²· 𝜎𝜎 [𝐽𝐽]

13

kde značí: ∆G^Z- změnu Gibbsovy energie [J]; r – poloměr zárodku tvaru koule [cm]; ∆GV - změnu Gibbsovy energie pro objem zárodku [𝐽𝐽. 𝑚𝑚⁻³]; 𝝈𝝈 - povrchové napětí plochy zárodku [𝐽𝐽. 𝑐𝑐𝑚𝑚⁻²].

Na základě obr. 2-3 lze vést v nejvyšším bodě křivky Gibbsovy energie rovnoběžku s osou x. Tím lze odvodit stanovení kritické velikosti krystalizačního zárodku (rKRIT)tvaru koule jako derivaci změny Gibbsovy energie podle poloměru koule r:

rKRIT= ^{𝑑𝑑∆𝐺𝐺}

𝑑𝑑𝑟𝑟 = 0 (3)

Lze dále konstatovat, že poloměr r se blíží velikosti kritického poloměru zárodku r ⇒ rKRIT.

Podle rovnice (2), lze psát:

−⁴₃

· 3 · 𝜋𝜋 · 𝑟𝑟

· ∆𝐺𝐺

+ 2 · 4 · 𝜋𝜋 · 𝑟𝑟 · 𝜎𝜎 = 0

−4

· 𝜋𝜋 · 𝑟𝑟

· ∆𝐺𝐺

= −8 · 𝜋𝜋 · 𝑟𝑟 · 𝜎𝜎 /· (−1)

· 𝜋𝜋 · 𝑟𝑟

· ∆𝐺𝐺

= 8 · 𝜋𝜋 · 𝑟𝑟 · 𝜎𝜎

𝑟𝑟 · ∆𝐺𝐺

= 2 · 𝜎𝜎

𝑟𝑟 => 𝑟𝑟

=

𝑣𝑣

,

kde značí: r^KRIT – kritickou velikost zárodku [cm] ; σ– mezifázové napětí (energie povrchu) mezi zárodkem a taveninou [J⋅cm^-2]; ∆𝑮𝑮_𝒗𝒗−změnu Gibbsovy energie [J𝑐𝑐𝑚𝑚⁻³]

Ze vzorce (4) lze stanovit kritickou velikost zárodku za předpokladu, že změna Gibbsovy energie bude záporná.

Gibbsovu energie pro objem zárodku (∆GV) je možno stanovit s použitím vztahu (5).

∆𝐺𝐺_𝑣𝑣 = ^∆𝐻𝐻_𝐾𝐾^{𝑓𝑓 ·∆𝐾𝐾}

𝐾𝐾𝐾𝐾 [𝐽𝐽],

kde značí:∆𝑮𝑮𝒗𝒗 - změnu Gibbsovy energie pro objem zárodku [𝐽𝐽. 𝑐𝑐𝑚𝑚⁻³]; ∆𝑯𝑯𝒇𝒇 – entalpii fázové přeměny [𝐽𝐽. 𝑐𝑐𝑚𝑚⁻³]; ∆𝑻𝑻 – Změnu teploty[K]; 𝑻𝑻𝑲𝑲𝑲𝑲 –Kritickou teplotu [K].

Po dosazení hodnoty změny Gibbsovy energie pro objem zárodku do vzorce pro výpočet kritické velikosti zárodku, lze vzorec pro výpočet kritické velikosti zárodku pro heterogenní krystalizaci přepsat do tvaru:

𝑟𝑟𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾(ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜)= ^{2·𝜎𝜎· 𝐾𝐾}_∆𝐻𝐻 ^{𝐾𝐾𝐾𝐾}

𝐾𝐾𝐾𝐾·∆𝐾𝐾, (6) kde značí: σ– mezifázové napětí (energie povrchu) mezi zárodkem a taveninou [J⋅cm^-2]; ∆𝑯𝑯_{𝑲𝑲𝑲𝑲} – entalpii fázové přeměny [J⋅cm^-2]; ∆𝑻𝑻 – Teplotu podchlazení ; 𝑻𝑻_{𝑲𝑲𝑲𝑲} – teplotu krystalizace daného kovu [K].

V tabulce 2.1 jsou uvedeny hodnoty fyzikálních veličin pro výpočet kritické velikosti krystalizačních zárodků vybraných kovů, kde hodnoty fyzikálních veličin jsou uvedeny podle různých autorů.

Tabulka 2.1 Hodnoty pro výpočet kritické velikosti zárodků kovů (podle ASKELANDA a WRIGHTA [30] a podle ASKELANDA [46], FULAYE a WRIGHTA [31]

Hodnoty pro výpočet kritické velikosti zárodků kovů Kov

Teplota tání Entalpie tání

∆Htání

[J⋅cm^-3]

Povrchové napětí

σz-t

[J⋅cm^-2]

Podchlazení ∆T [K]

[°C] [K]

podle autorů [30], [31]

podle výpočtu

Hliník ^{660 933 1066 93,3⋅10-7 130 187}

Měď ^{1083 1356 1826 177⋅10-7 318 271}

Železo ^{1539 1812 2098 204⋅10-7 295 362}

Platina ^{1772 2045 2160 260⋅10-7 395 409}

Stříbro ^{962 1235 1097 126⋅10-7 227 247}

Nikl ^{1453 1726 2756 255⋅10-7 328 345}

Olovo ^{327 600 280 33,3⋅10-7 80 120}

Bizmut ^{271 544 543 54⋅10-7 90 108}

Poznámka: Pro homogenní nukleaci se hodnota podchlazení vypočítá: ∆T = 0,2⋅ (Ttání + 273) [K], pro heterogenní nukleaci se podchlazení vypočítá: ∆T = 0,02⋅ (Ttání + 273) [K].

Na obr. 2-5 je uvedeno schéma závislosti změny Gibbsovy energie heterogenní, nebo homogenní nukleace na poloměru zárodku. Jak je z tohoto obrázku patrné, nižší hodnota ∆GZ je nižší u heterogenní nukleace, k čemuž přispívá přítomnost cizí částice.

15

Obr 2-5 Schéma závislosti změny Gibbsovy energie heterogenní, nebo homogenní nukleace na poloměru zárodku

Kritická velikost zárodku závisí hlavně na podchlazení a povrchovém napětí mezi zárodkem a taveninou. Čím menší hodnota kritické velikosti zárodku bude, tím jemnozrnnější strukturu kovu získáme. Čím jemnozrnnější struktura kovu bude, tím lepší mechanické vlastnosti daný kov získá. Mechanismus vyžaduje malé povrchové napětí a velké pochlazení. Velikost podchlazení ovlivňuje hlavně typ slévárenské formy. V případě kovové formy získáme velmi vysoké hodnoty podchlazení, naopak v případě sádrových nebo pískových forem získáme podchlazení malé. Z toho plyne, že odlitky, které se odlévají do kovových forem mají jemnější strukturu, protože krystaly díky podchlazení nestihly vyrůst. Na druhou stranu formy, které odvádí teplo pomaleji, způsobí, že odlitek bude hrubozrnnější, krystaly totiž stihnout vyrůst do větších velikostí. Hodnoty podchlazení u homogenní nukleace se pohybují okolo 0,2·Tkr V praxi se tento typ nukleace téměř nevyskytuje.

2.1.1.1 Výpočet atomů potřebných pro vznik kritické velikosti zárodku tvaru koule

Kritickou velikost zárodků při homogenní (heterogenní) nukleaci vytváří u čistých kovů shluk jejich atomů. Pokud je uvažována kritická velikost zárodku tvaru koule, pak lze vypočítat objem zárodku tvaru koule o poloměru r^KRIT:

𝑉𝑉𝑧𝑧(𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘) = ⁴₃ ∙ 𝜋𝜋 ∙ 𝑟𝑟_{𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘}³, (7)

kde značí: V^z(krit) – objem zárodku tvaru koule o poloměru r^KRIT [cm³] ; rKRIT – poloměr zárodku tvaru koule [cm].

Stanovení objemu krystalické kubické buňky (V^K.B.) příslušného kovu je dle rovnice (8).

𝑉𝑉𝐾𝐾.𝐵𝐵 = (𝑎𝑎0)³, (8)

kde značí: a⁰ – délku mřížkového parametru (délka hrany krystalické kubické buňky); V^KB – objem krystalické kubické buňky [cm³].

Stanovení objemu jednoho atomu příslušného kovu dle rovnice (9):

𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑚𝑚 𝑂𝑂𝑂𝑂𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗ℎ𝑗𝑗 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑗𝑗𝑚𝑚𝑎𝑎 = 𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘é 𝑜𝑜𝑏𝑏ň𝑘𝑘𝑘𝑘

𝑝𝑝𝑜𝑜č𝑜𝑜𝑘𝑘 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑜𝑜𝑜𝑜ů 𝑝𝑝ř𝑘𝑘𝑝𝑝𝑘𝑘𝑑𝑑𝑘𝑘𝑜𝑜í𝑘𝑘í𝑘𝑘ℎ 𝑛𝑛𝑘𝑘 𝑜𝑜𝑜𝑜𝑑𝑑𝑛𝑛𝑏𝑏 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑜𝑜𝑏𝑏 𝑜𝑜𝑏𝑏ň𝑘𝑘𝑏𝑏 (9) Stanovení počtu seskupených atomů (n) příslušného kovu, který tvoří objem krystalizačního zárodku o kritické velikosti tvaru koule dle rovnice (10):

𝑗𝑗 =𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑧𝑧𝑘𝑘č𝑛𝑛íℎ𝑜𝑜 𝑧𝑧á𝑘𝑘𝑜𝑜𝑑𝑑𝑘𝑘𝑏𝑏 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘é 𝑣𝑣𝑜𝑜𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑜𝑜𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑘𝑘𝑣𝑣𝑘𝑘𝑘𝑘𝑏𝑏 𝑘𝑘𝑜𝑜𝑏𝑏𝑘𝑘𝑜𝑜

𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 𝑜𝑜𝑜𝑜𝑑𝑑𝑛𝑛𝑜𝑜ℎ𝑜𝑜 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑜𝑜𝑜𝑜𝑏𝑏 𝑝𝑝ří𝑘𝑘𝑘𝑘𝑏𝑏š𝑛𝑛éℎ𝑜𝑜 𝑘𝑘𝑜𝑜𝑣𝑣𝑏𝑏 ∙ 𝑝𝑝_{𝑘𝑘𝑘𝑘𝑜𝑜𝑜𝑜ů}, (10) kde značí p^atomů - počet atomů připadající na jednu krystalickou buňku (FCC = 4 atomy, BCC = 2 atomy).

17 2.1.2 Heterogenní nukleace

Heterogenní nukleace je založena na přítomnosti cizích částic v tavenině, mohou to být například struky, úlomky pecní vyzdívky, oxidy, křemičitany, nebo velmi často očkovadla a modifikátory. Tyto částice usnadňují nukleaci, neboť krystaly se začínají tvořit právě na nich. Tato nukleace překonává menší energetickou bariéru, stačí podchlazení 0,02 T^kr. Hodnotu kritické velikosti zárodku můžeme stanovit obdobně jako u homogenní nukleace.

Na obr 2-6 je uvedeno schéma tvořícího se zárodku na cizí částici.

Obr. 2-6 Schéma růstu krystalizačního zárodku na cizí částici [2]

Kritickou velikost zárodku pro heterogenní nukleaci lze určit ze vzorce (11) obdobně jako u homogenní nukleace, avšak v případě heterogenní nukleace se musí brát v úvahu úhel smáčivosti částice. Pro sledování zárodku tvaru koule o poloměru r, lze analogicky k rovnici pro kritickou velikost zárodku při homogenní nukleaci, psát rovnice pro heterogenní nukleaci:

𝑟𝑟𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾(𝐻𝐻𝑜𝑜𝑘𝑘)=^{2·𝜎𝜎· 𝐾𝐾}_∆𝐻𝐻 ^{𝐾𝐾𝐾𝐾}

𝐾𝐾𝐾𝐾·∆𝐾𝐾· 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑗𝑗𝑠𝑠 (11) kde značí: σ– mezifázové napětí (energie povrchu) mezi zárodkem a taveninou [J⋅cm^-2]; ∆𝑯𝑯_{𝑲𝑲𝑲𝑲} – kritickou entalpii fázové přeměny [𝐽𝐽. 𝑐𝑐𝑚𝑚⁻³]; ∆𝑻𝑻 – Změnu teploty [K]; 𝑻𝑻_{𝑲𝑲𝑲𝑲} – Kritickou teplotu [K]; 𝒔𝒔𝒔𝒔𝒔𝒔 𝜶𝜶 – sinus úhlu smáčivosti částice [rad]

Cizí částice v tavenině pro průběh heterogenní nukleace musí splňovat určité požadavky. Aby nedocházelo k jejímu roztavení, musí být její teplota tavení vyšší než teplota tavení odlévané slitiny. Dále je nutné, aby částice měla podobnou nebo příbuznou krystalickou mřížku jako má odlévaný kov. Částice musí mít

podobnou hodnotu hustoty jako tavenina odlévaného kovu a současně musí být dostatečně smáčivá.

V praxi je zapotřebí mít kritickou velikost krystalizačního zárodku co nejmenší, toho můžeme docílit například:

1. Přechlazením taveniny, kterého docílíme vhodnou volbou formy. Aby došlo k podchlazení, snažíme se volit formy s velkou hodnotou tepelné akumulace;

2. Očkováním taveniny, neboli přidáním cizích částic;

3. Zamezení růstu krystalizačních zárodků lze docílit např. například zvýšeným tlakem, nebo mechanickým působením na taveninu (vibracemi).

2.2 Vliv zvýšeného tlaku na krystalizaci tavenin kovů

Tekutý kov je stejně jako jakákoliv kapalina téměř nestlačitelný. Pokud budeme ale působit na taveninu kovu při tuhnutí tlakem, získáme zhutněnou strukturu bez vnitřních vad a porezity. Vliv tlaku na rovnovážnou soustavu Al-Si a tím i na základ slitiny typu Al-Si-Mg popisuje Clausiova Clapeyronova rovnice (12), kterou lze dobře aplikovat na podmínky tuhnutí čistého hliníku, popř. na tuhnutí slitin hliníku, především na soustavu Al – Si.

𝑑𝑑𝐾𝐾

𝑑𝑑𝑝𝑝= ^{𝐾𝐾 ∙(𝑉𝑉}_∆𝐻𝐻^{𝐿𝐿− 𝑉𝑉𝑆𝑆)}

(𝑙𝑙,𝑆𝑆) , (12) kde značí: T- teplotu tání dané slitiny; V^L -molový objem ve stavu taveniny [m³⋅mol¹]; VS -molový objem ve stavu tuhém [m³⋅mol¹]; ∆H(L,S) - molové teplo fázového přechodu (krystalizace nebo tavení) [J⋅mol^-1]; dT/dp - diferenciální kvocient fázového přechodu.

Z Clausiovy Clapeyronovy rovnice (12) lze vyčíst, že při fázovém přechodu prvního druhu se mění entalpie i objem v závislosti na entropii, která roste ΔH^(L,S)>0, zároveň roste i objem ΔV^(L,S)>0 respektive (VL-VS) >0,z toho vyplývá že diferenciální kvocient dT/dp >0. Většina kovů (například :hliník, zinek, olovo) splňuje podmínku, kdy objem taveniny musí být vyšší než objem ztuhlého kovu.

Teplota tání, respektive kritická teplota, u takovýchto kovů s rostoucím tlakem vzrůstá. Oproti tomu některé kovy (křemík, galium bizmut, antimon) tuto podmínku nesplňují, v jejich případě se teplota tání s rostoucím tlakem snižuje.

19

Je obecně známo že zvýšený tlak při procesu lití urychluje tuhnutí odlitku. Při krystalizaci tavenin kovů za zvýšeného tlaku je právě díky tlaku ztuhlá vrstva odlitku vždy ve styku s lícem slévárenské formy. Právě díky působícímu tlaku lze dosáhnout vyššího součinitele přestupu tepla, než je tomu například u běžného lití bez působícího tlaku. Podle FUIJIE [9] je tato hodnota až 30 000 [W·m^-2·K^-1].

Další uplatnění Clapeyronovy rovnice (12) lze nalézt při výpočtu molárního (molového) objemu, dle jednotek SI [m³.mol^-1]. Výpočet lze realizovat pomocí rovnice (13), pro hliník v kapalném stavu a též pomocí rovnice (14), pro hliník v tuhém stavu.

𝑉𝑉_𝐿𝐿 = 𝑘𝑘𝑜𝑜𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑣𝑣𝑛𝑛í 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑣𝑣á ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑘𝑘𝑛𝑛𝑜𝑜𝑘𝑘𝑘𝑘 ℎ𝑘𝑘𝑘𝑘𝑛𝑛í𝑘𝑘𝑏𝑏

ℎ𝑏𝑏𝑘𝑘𝑘𝑘𝑜𝑜𝑘𝑘𝑘𝑘 ℎ𝑘𝑘𝑘𝑘𝑛𝑛í𝑘𝑘𝑏𝑏 𝑣𝑣 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑝𝑝𝑘𝑘𝑘𝑘𝑛𝑛é𝑜𝑜 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑣𝑣𝑏𝑏(𝑝𝑝ř𝑘𝑘 𝑘𝑘𝑜𝑜𝑝𝑝𝑘𝑘𝑜𝑜𝑘𝑘ě 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑣𝑣𝑜𝑜𝑛𝑛í) (13) Relativní atomová hmotnost hliníku je 26,98. Hustota hliníku pro tuhý stav (20℃) je 2700 [kg.m^-3]

𝑉𝑉𝑆𝑆 = 𝑘𝑘𝑜𝑜𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑣𝑣𝑛𝑛í 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑣𝑣á ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑘𝑘𝑛𝑛𝑜𝑜𝑘𝑘𝑘𝑘 ℎ𝑘𝑘𝑘𝑘𝑛𝑛í𝑘𝑘𝑏𝑏

ℎ𝑏𝑏𝑘𝑘𝑘𝑘𝑜𝑜𝑘𝑘𝑘𝑘 ℎ𝑘𝑘𝑘𝑘𝑛𝑛í𝑘𝑘𝑏𝑏 𝑣𝑣 𝑘𝑘𝑏𝑏ℎé𝑜𝑜 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑣𝑣𝑏𝑏 (𝑝𝑝ř𝑘𝑘 𝑘𝑘𝑜𝑜𝑝𝑝𝑘𝑘𝑜𝑜𝑘𝑘ě 20 ℃) (14) Relativní atomová hmotnost hliníku je 26,98. Hustota hliníku pro kapalný stav je 2480 [kg.m^-3]. Hustota hliníku pro tuhý stav je 2700 [kg.m^-3].

Tlak a jeho důsledky při procesu krystalizace je nutno sledovat v závislosti na teplotě. S tímto faktem souvisí i výzkum pana BATYŠEVA [3], který zjistil, že při krystalizaci pod tlakem vzniká v tavenině atermické podchlazení. Toto podchlazení přispívá k vzniku jemnozrnné struktury při krystalizaci taveniny kovů. Tuto závislost znázorňuje schématický obr. 2-7. Na tomto obrázku je na vodorovné ose znázorněna hodnota tlaku a na svislé ose je znázorněna hodnota teploty. Z tohoto obrázku lze vyčíst, že s rostoucím tlakem, roste také teplota likvidu a solidu. Schéma, viz obr. 2-7 je rozděleno na tři oblasti. První je oblast nad křivkou likvidu, tato oblast je charakteristická tím, že je zde kov ve stabilním, tekutém stavu. Pak proces krystalizace v oblasti 1 lze uskutečnit pouze v důsledku snížené teploty taveniny, vlastním ochlazením. Oblast 2 je charakteristická tím, že kov je v metastabilním tekutém stavu. Hodnota podchlazení, která v této oblasti vzniká působením tlaku, je však nedostatečná a rozhodujícím faktorem je v tomto případě samotné ochlazení.

Oblast 3 je charakteristická tím, že kov je v metastabilním tuhém stavu. Proces krystalizace se v této oblasti zabezpečuje v celém rozsahu pouze pochlazením taveniny v důsledku zvýšeného tlaku.

Obr. 2-7 Schéma vzniku atermického podchlazení taveniny vlivem působícího tlaku a teploty [3]

Velikost tlaku také ovlivňuje kritickou velikost zárodku. Z obr. 2-8 lze vyčíst, že čím vyšší tlak působí na taveninu právě při procesu krystalizace, tím menší krystalizační zárodky následně vzniknou.

r

r

Obr. 2-8 Vliv zvýšeného tlaku na velikost krystalizačních zárodků [2]

21 2.2.1 Rovnovážná soustava Al-Si

Rovnovážná soustava, resp. rovnovážný diagram Al-Si, viz obr. 2-9, je jednou z nejpoužívanějších slévárenských slitin pro výrobu odlitků. Jak je obecně známo, slitiny hliníku a křemíku se obecně nazývají siluminy. Křemík má v hliníku jen velmi omezenou rozpustnost, konkrétně 1,65 % za předpokladu, že na soustavu působí atmosférický tlak 101 325 Pa a teplota je rovna teplotě eutektické tj. 577°C. S klesající teplotou se také snižuje rozpustnost křemíku v hliníku. Eutektický bod (lehce tavitelný) odpovídá cca 11,7 % křemíku a teplotě 577 °C (některé publikace uvádí hodnotu křemíku 11,3 až 12,5%). Podle množství křemíku ve slitině Al-Si se siluminy dále rozdělují na podeutektické (obsah křemíku je menší než 11,7 hmot. % Si); eutektické (obsah křemíku je 11,7 hmot. %) - nadeutektické (obsah křemíku je 11,7 až 24 hmot. %). Z tohoto důvodu slévárenské slitiny vždy vykazují ve své struktuře eutektikum α(Al)-β (Si).

Tyto binární slévárenské slitiny Al-Si se nedají tepelně zpracovávat vytvrzováním, nejen z důvodu velmi malé rozpustnosti křemíku v hliníku, ale především, že hliník s křemíkem netvoří precipitační rovnovážnou vytvrditelnou fázi (jako je např. Al²Cu, Mg2Si), [32]. Pro tepelné zpracování vytvrzováním musí soustava Al-Si obsahovat další prvek, jako např. je měď. V případě, že siluminy nejsou legovány dalšími prvky, označují se jako binární nebo jednoduché siluminy. První výroba slitiny hliník-křemík se datuje do doby více než před 150 lety a zasloužil se o ni francouzský chemik Sainte-Clair Devil.. Slitiny Al-Si se vyznačují poměrně velmi dobrými slévárenskými vlastnostmi, mezi které mimo jiné patří především dobrá zabíhavost, dále odolnost proti korozi. Křemík je ve slitinách Al-Si vyloučen jako hexagonální deska, která zvyšuje odolnost proti otěru, ale zároveň snižuje hodnotu deformačních charakteristik a houževnatost, [32]. Pro zlepšení mechanických vlastností se v praxi do tavenin siluminů před jejich odléváním přidávají modifikátory a očkovadla. Mezi modifikátory patří např.

stroncium (hmotnost cca 0,01 % z celkové hmotnosti). Modifikace sodíkem se dnes nepoužívá, protože sodík zvyšoval naplynění silumínů. Dále se pro modifikaci tavenin siluminů může použít fosfor. Tyto metalurgicky ošetřené slitiny se dále vyznačují jemnější mikrostrukturou (jemné částice Si v podeutektických slitinách), což vede k jejich vyšším mechanickým vlastnostem. Očkovadla jsou látky, které se také přidávají do tavenin silumínů, ale jejich účelem je zabezpečit jemnou krystalizaci primární fáze. Primární fází je α (Al) u podeutektických

siluminů a β(Si) u nadeutektických silumínů. Očkování je účinné v případě, že bude použita slitina s obsahem 5 až 7 hmot. % siluminu. Očkovadlem bývá nejčastěji titan a nebo bor. Očkování kombinací titanu a boru ve formě předslitin TiAl3 a TiB2 přináší dobré výsledky pro zjemnění tuhého roztoku α(Al), [32].

L – tavenina; α, β – tuhé roztoky; teplota tavení čistého hliníku je 660 °C; teplota tavení čistého křemíku je 1412 °C

Obr. 2-9 Fázový diagram hliník-křemík [34]

2.2.1.1 Vliv tlaku na rovnovážnou soustavu Al-Si

Sledováním vlivu tlaku na soustavu Al-Si se zabývalo několik autorů BATYŠEV [3],[33], SOBCZAK et al [4] MURRAY [34], MII [35], FUJISHIRO [36], HALLSTEDT [37], GROMACHI [38] a další. Tyto práce byly prováděny s ohledem na sledování vlivu tlaku vedoucího k technickým aplikacím na slitinách hliníku, především u siluminů. Pro čistý AI se zdá, že přiměřené teploty tání lze předvídat asi až pro tlaky 100 až 200 kbar, která je překvapivě vysoká a daleko vyšší tlaky, které mohou být aplikovány při hutním zpracování. Na obr. 2-10a) je část fázového diagramu Al-Si o tlaku 1 bar, 1 kbar a 10 kbar. Na obr. 2-10b) je efekt vysokého tlaku na rozpustnost křemíku v hliníku (bez zvýšeného tlaku vlevo, s tlakem 2800 MPa, s tlakem 2800 MPa a 5400 MPa vlevo).

23

Vliv tlaku na rovnovážnou soustavu Al-Si popisuje Clausiova Clapeyronova rovnice (12), kterou lze dobře aplikovat na podmínky tuhnutí čistého hliníku, popř.

na tuhnutí slitin hliníku, především na soustavu Al – Si.

Obr.2-10a) Rovnovážný fázový diagram Al-Si (0,1 MPa; 2800 MPa; 100 MPa;

1000 MPa a 0,1 MPa; 100 MPa) [23], [29], [34]

Obr. 2-10b) Efekt vysokého tlaku na rozpustnost křemíku v hliníku (bez zvýšeného tlaku vlevo, s tlakem 2800 MPa, s tlakem 2800 MPa a 5400 MPa

vlevo) [22]

V tabulce 2.2 jsou uvedeny vybrané fyzikální hodnoty pro hliník, křemík a hořčík.

Tabulka 2.2 Vybrané fyzikální vlastnosti kovů tvořících soustavu Al – Si – Mg Vlastnosti vybraných kovů

Kov Teplota tání [K]

Hustota [kg⋅m^-3] Změna specifického objemu při tavení

[%]

při teplotě 20 °C

při teplotě

tavení

Hliník 933 2700 2380 7,0

Křemík 1703 2300 2500 -5,0

Hořčík 923 1740 1538 4,2

BORISOV [18] označuje krystalizaci při působení zvýšeného tlaku jako diskontinuální proces fázové přeměny v důsledku atermického podchlazení jako krystalizaci pod tlakem, kterou nazývá barokrystalizaci. Autoři SOBCZAK et al [4] sledovali soustavu Al-Si, prováděli výpočty teploty křemíku v závislosti na zvyšujícím se tlaku, viz obr. 2-11a), který ukazuje korelace mezi teplotou tání a tlakem, a eutektickou teplotou a tlakem pro hliník, resp. křemík v systému Al-Si.

Tyto korelace byly získány se softwarem Thermo Calc, a koeficienty dTeq /dP byly vypočteny ze vztahu:

𝑇𝑇𝑜𝑜𝑒𝑒 (𝑃𝑃0+ ∆𝑃𝑃) = 𝑇𝑇𝑜𝑜𝑒𝑒 (𝑃𝑃0) + ∆𝑃𝑃^{𝑑𝑑𝐾𝐾}_{𝑑𝑑𝑑𝑑}^{𝑒𝑒𝑒𝑒}= 𝑇𝑇𝑜𝑜𝑒𝑒,0 + ∆𝑃𝑃^{𝐾𝐾𝑒𝑒𝑒𝑒,0∙}_𝑘𝑘 ^∆𝑣𝑣

1→2 (15) kde značí: T^eq - rovnovážnou teplotu pro fázovou transformaci [K]; dTeq - diferenciál rovnovážné teploty pro fázovou transformaci [K]; P0 - počáteční tlak soustavy (atmosférický tlak 101 325 Pa = 0,1 MPa); ∆P - přírůstek tlaku; T^eq,0 - rovnovážnou teplotu pro fázovou transformaci při atmosférickým tlaku [K]; ∆v – přírůstek molárního objemu m³ ⋅mol^-1; V – molární objem m³ ⋅mol^-1

Poznámka: Pro zajímavost příroda nabízí pozoruhodnou rozmanitost a rozsah tlaků. Na zemském povrchu, je atmosférický tlak ~ 0, 1 MPa (101 325 Pa). V zemském jádře jsou tlaky řádově ~ 3 · 5 x 10²GPa; v jádru slunce, tlaky jsou ~2 · 1 x 107 GPa; v bílých trpaslíků, tlak je 10⁹-1012 GPa; a u pulsorů, je tlak řádově 1020 GPa. Technického vybavení (např. různé stroje, lisy buchary) je možno dosáhnout omezeného tlaku ~ 15 GPa. Maximální statický tlak realizován ve vědecké experimenty se nachází v blízkosti 3 x 102 GPa, a dynamický tlak získaný výbuchem dosahuje hodnoty až do 30 x 102 GPa. Tlak vyšší, než je atmosférický, které jsou používány v technické praxi, mohou být rozděleny do podmíněně zvýšeného tlaku (až do 0, 1 GPa) a vysokého tlaku (nad tuto hodnotu).

Teplota krystalizace čistého hliníku a eutektická teplota se zvyšuje s rostoucím tlakem.

Obr. 2-11a) Teplota tání hliníku Tm a eutektická teplota Al-Si systém Teut

jako funkce tlaku, SOBCZAK et al [4]

Na obr. 2-11b) je vliv zvýšeného tlaku na změnu teplotu krystalizace čistého křemíku, pro ilustrace je naznačena v rovnovážném diagramu Al-Si. Křemík patří

25

mezi prvky, které v kapalném stavu mají menší objem, než ve stavu tuhém. To znamená, že s rostoucím tlakem se teplota krystalizace čistého křemíku snižuje.

teplotu tání křemíku – vliv atmosférického tlaku (vlevo); vliv tlaku 500 MPa (uprostřed);

vliv 1 GPa (vpravo)

Obr. 2.11b) Vliv různých hodnot zvýšeného tlaku na změnu teplotu krystalizace křemíku (ilustrace je naznačena v rovnovážném diagramu

Al-Si), SOBCZAK et al [4]

Vzhledem k tomu, tlak zvyšuje teplota tavení hliníku, ale naopak tlak snižuje teplotu tání křemíku (Si po ztuhnutí zvětšuje objem) Rovnovážných koncentrací legujících prvků také závisí na tlaku. Lze vypočítat hodnotu eutektické koncentrace Ceut a maximální koncentrace Cα,Si max křemíku v hliníku v tuhém roztoku při eutektické teplotě

2.2.1.2 Stanovení rozpustnosti křemíku v hliníku

Stanovení maximální rozpustnosti křemíku v hliníku při eutektické teplotě je možno provést na základě vztahu, který uvádí MUTSUMURA [44]:

𝐶𝐶_{(𝑑𝑑,𝐾𝐾)}= 𝐶𝐶_{(𝑑𝑑0𝐾𝐾)} ∙ exp ( −∆𝑉𝑉∙(𝑑𝑑−𝑑𝑑₀)

𝑘𝑘∙𝐾𝐾 ) , (16)

kde značí: C^(P,T) -rozpustnost křemíku v hliníku při tlaku P a teplotě T; C(P0,T) -

rozpustnost křemíku v hliníku při tlaku 101 325 Pa (0,10 MPa) a teplotě 577 [°C];

∆V-změnu objemu; P –tlak pro který je počítána rozpustnost [Pa]; P0 –tlak 0,1MPa (101 325Pa);k –Boltzmannovu konstantu (k=1,3803·10^-23 J·K^-1).

Ještě lze maximální rozpustnost křemíku v hliníku při eutektické teplotě stanovit podle vztahu který uvádí SOBCZAK [4]:

𝐶𝐶α,,𝑜𝑜𝑘𝑘𝑚𝑚,𝑑𝑑 = 𝐶𝐶α_{,𝑜𝑜𝑘𝑘𝑚𝑚,0} ∙ exp �^𝑜𝑜_𝑑𝑑�, (17)

kde značí: C^{α, max,0} – konstanta koncentrace při tlaku (101 325 Pa, cca C^{α, max,0} = 0,019), b – konstanta ovlivňující tlak P – tlak [Pa].

Koncentrace legujících prvků v tuhém roztoku α závisí na tlaku a rychlosti ochlazení [8]. U slitin hliníku výsledky studií ukazují [8], [12], že rostoucí tlak na krystalizaci ovlivňuje rozpustnost tuhého roztoku α a také je posouván eutektický bod k vyšším koncentracím. S rostoucím tlakem je také spojena rostoucí koncentrace tuhého roztoku α křemíku v hliníku. Takto se v hliníku chovají i další prvky (Cr, Ti, Zr, Cd, Sn, Fe).

Při výrobě odlitků ze slitin hliníku s křemíkem metodou stlačením taveniny při jejím tuhnutí (lití s krystalizace pod tlakem) se uplatňuje vliv tlaku. Jak je z předchozích kapitol této práce patrné, rostoucí tlak působící na slitiny typu hliník – křemík zvyšuje hodnotu teploty tání hliníku, ale snižuje teplotu tání křemíku. Dále rostoucí tlak u podeutektických siluminů ovlivňuje i strukturní parametry, tj. velikost, distribuci a morfologii primárního tuhého roztoku α, ale také morfologii eutektického hliníku i křemíku. Z dalších nejdůležitějších poznatků ověřených experimentálně, vyplývá, že účinkem tlaku se zvyšuje podíl krystalizačních zárodků v tavenině, což je příčinou výrazného zjemnění struktury.

2.3 Charakteristika použité slévárenské slitiny AlSi5Mg (Anticorodal 50) Použitá slitina, AlSi5Mg (Anticorodal 50), která byla použita v experimentální části této diplomové, díky její špatné zpracovatelnosti odléváním. Tato slitina byla vyvinutá v Německu – Rheinfeldenu. (Aluminium Rheinfelden GmbH Rheinfelden Alloys Sales and Customer Service Friedrichstraße 80 79618 Rheinfelden, Germany). Slitina by měla odolávat korozi a současně by měla být vytvrditelná. Tato slitina je typu Al-Si-Mg, vykazuje vynikající odolnost proti povětrnostním vlivům a mořské vodě. Vyznačuje se dobrými mechanickými vlastnostmi, především pevností po umělém stárnutí. Dále tato slitina je velmi dobře leštitelná i obrobitelná. Ternární systém hliník – křemík – hořčík, není pro technickou praxi tak typický, proto není publikovaný, avšak ternární systém hliník – hořčík – křemík patří mezi poměrně jednodušší typy diagramů. V rovnováze s

27

tuhým roztokem (Al) se nachází sloučenina Mg²Si. U soustavy Al – Si – Mg, malé množství hořčíku, pod 1 % dává jen výjimečně možnost vzniku chemické sloučenině Mg²Si.

Intermetalické fáze (chemické sloučeniny) mohou působit potíže, způsobují heterogenitu odlitků snižují pevnost a tažnost slitin. Mnoho pozornosti bylo věnováno identifikaci těchto intermetalických sloučenin v průběhu tuhnutí.

Kromě toho, experimentální studie prokázaly, že tvorba intermetalických sloučenin je ovlivněna složením slitiny. Chemické složení použité slitiny je uvedeno v tabulce 2.3, mechanické hodnoty v tabulce 2.4, užitné vlastnosti v tabulce 2.5 a hodnoty pro tepelné zpracování jsou v tabulce 2.6.

Tabulka 2.3 Chemické složení slitiny AlSi5Mg (Anticorodal 50) Chemické složení slitiny AlSi5Mg [hmot. %]

Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Al

5,0 až 6.0

0,15 0,02 0,10 0,4 až 0,8

0,10 0,05 až 0,20

zbytek

Tabulka 2.4 Hodnoty mechanických veličin slitiny AlSi5Mg v závislosti na metodě odlévání

Hodnoty mechanických veličin slitiny AlSi5Mg v závislosti na metodě odlévání Slitina Metoda

Odlévání

Způsob TZ

Pevnost v kluzu Rp(0,2) [MPa]

Mez pevnosti v tahu Rm

[MPa]

Tažnost [%]

Tvrdost HBS 5/250/30

AlSi5Mg

Písková Forma

po odlití 100 až 130 140 až 180 2 až 4 60 až 70

Písková Forma

přirozené stárnutí

150 až 180 200 až 270 4 až 10 75 až 90

Písková forma

umělé stárnutí

220 až 290 260 až 320 2 až 4 95 až 115

Kovová, gravitačně odléváno

po odlití 120 až 160 160 až 200 2 až 5 60 až 75

Kovová, gravitačně odléváno

přirozené stárnutí

160 až 190 210 až 270 5 až 10 75 až 90

Kovová, gravitačně gravitačně

umělé stárnutí

240 až 290 260 až 320 2 až 7 100 až 115

Tabulka 2.5 Užité vlastnosti slitiny AlSi5Mg

Vybrané vlastnosti slitiny AlSi5Mg

Užitná vlastnost Jednotka Hodnota

Odolnost proti vodě - výborná

Odolnost proti mořské vodě - velmi dobrá

Svařitelnost (s využitím metody MIG)

- velmi dobrá

Mechanická obrobitelnost - velmi dobrá

Leštitelnost - velmi dobrá

Youngův modul pružnosti [MPa] 66 000 až 75 000

Koeficient lineární roztažnosti [K^-1] 23,0.10^-6 Součinitel tepelné vodivosti [W.m^-1.K^-1] 176

Teplota tání [°C] 550 až 625

Tabulka 2.6 Hodnoty pro tepelné zpracování – umělé a přirozené vytvrzování Tepelné zpracování slitiny AlSi5Mg

Slitina

Tepelné zpracování

Teplota ohřevu [°C] při

vytvrzování

ohřevu Čas [h]

Teplota vody

[°C]

Teplota ohřevu

při stárnutí

[°C]

Čas stár nutí

[h]

AlSi5Mg

umělé vytvrzování

520 až 535 4 až 8 20 155 až 160 7 až 9 přirozené

stárnutí

520 až 535 4 až 8 20 15 až 30 120

2.4 Zařízení pro vyvozování stlačení na krystalizující taveninu

Pro stlačení krystalizující taveniny lze použít nejrůznější zařízení. Lze např.

použít tvářecí hydraulické lisy, např. lis CB 300/63, viz obr. 2-12. Tento lis vyvozuje maximální sílu, která je ekvivalentní hmotnosti 300 000 kg (300 tun) a minimální sílu, která je ekvivalentní 20 000 kg (20 tun). Lisy pro plynulé lisování mohou být ovládány různými software (např. software SIEMENS – SIMATIC).

Hlavní konstrukční části lisu jsou: stojan, stůl, smykadlo (beran), vodící lišty.

Ovládací části lisu jsou: hydromotor (pro přímočarý pohyb), generátor, externí agregát, panel ručního ovládání lisu.

29

Obr. 2-12 Hydraulický lis CB 300/63

Tento lis lze osadit kovovou slévárenská formou, viz obr. 2-13, která může být různé specifické konstrukce, jedna část formy má v podstatě funkci raznice a druhá část formy je v podstatě tvarový razník. Dutina formy je opatřena nálevkou. Kovová forma musí mít temperační systém, její pracovní povrch musí být ošetřen ochranným nástřikem.

Obr. 2-13 Forma pro stlačování taveniny při její krystalizaci

3. VÝPOČTOVÁ ČÁST PRÁCE

Tato část práce je věnována výpočtům, které se vztahují ke krystalizaci a vlivu tlaku na krystalizaci. Jsou provedeny výpočty, které se týkají stanovení seskupených atomů pro stanovení kritické velikosti krystalizačních zárodků tvaru koule.

3.1 Stanovení počtu seskupených atomů pro tvorbu kritické velikosti krystalizačního zárodku

Na základě matematického rozboru uvedeného v kapitole 2.1.1 byl stanoven počet seskupených atomů čistého hliníku a dalších kovů v krystalizačním zárodku

o kritické velikosti tvaru koule. K tomuto účelu byly použity hodnoty uvedené v tabulce 2.1 a rovnice (6) až (10).

Hodnoty pro výpočet hliníku

∆Htání = 1066 [J⋅cm^-3]; σz-t = 93,3⋅10^-7 [J⋅cm^-2]; Ttání = 933 [K]; ∆T = 187 [K].

Čistý hliník krystalizuje v soustavě FCC (4 atomy).

Ukázka výpočtu množství seskupených atomů pro tvorbu kritické velikosti krystalizačního zárodku čistého hliníku

A) Dosazením do rovnice (6) se vypočítá kritická velikost krystalizačního zárodku čistého hliníku:

𝑟𝑟𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘(𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻) = ^2∙𝜎𝜎_∆𝐻𝐻^{𝑧𝑧−𝑡𝑡 ∙𝐾𝐾𝑡𝑡á𝑛𝑛í}

𝑡𝑡á𝑛𝑛í ∙∆𝐾𝐾 = 𝑟𝑟𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘(𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻)𝐴𝐴𝑘𝑘 = ^{2∙93,3∙10}_1066∙187^−7∙933= 8,79 ∙ 10⁻⁸ [𝑐𝑐𝑚𝑚].

B) Stanovení objemu zárodku tvaru koule o poloměru r^krit, dle rovnice (7):

𝑉𝑉𝑧𝑧(𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘) = ⁴₃ ∙ 𝜋𝜋 ∙ 𝑟𝑟_{𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘}³, 𝑉𝑉𝑧𝑧(𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘)𝐴𝐴𝑘𝑘 = ⁴₃ ∙ 𝜋𝜋 ∙ (8,73 ∙ 10⁻⁸)³= 2,79 ∙ 10⁻²¹[𝑐𝑐𝑚𝑚³].

C) Stanovení objemu krystalické buňky (V^K.B) čistého hliníku, dle rovnice (8), mřížkový parametr a⁰ = 4,05⋅10^-8[cm], pro kubickou buňku čistého hliníku:

𝑉𝑉_{𝐾𝐾.𝐵𝐵} = (𝑎𝑎₀)³ = 𝑉𝑉𝐾𝐾.𝐵𝐵(𝐴𝐴𝑘𝑘) = (4,05 ∙ 10⁻⁸)³ = 6,64 ∙ 10⁻²³[𝑐𝑐𝑚𝑚³]

31

D) Stanovení počtu seskupených atomů (n) příslušného kovu, který tvoří objem krystalizačního zárodku o kritické velikosti tvaru koule, dle rovnice (10):

𝑗𝑗 =𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑧𝑧𝑘𝑘č𝑛𝑛íℎ𝑜𝑜 𝑧𝑧á𝑘𝑘𝑜𝑜𝑑𝑑𝑘𝑘𝑏𝑏 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘é 𝑣𝑣𝑜𝑜𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑜𝑜𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑘𝑘𝑣𝑣𝑘𝑘𝑘𝑘𝑏𝑏 𝑘𝑘𝑜𝑜𝑏𝑏𝑘𝑘𝑜𝑜

𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 𝑜𝑜𝑜𝑜𝑑𝑑𝑛𝑛𝑜𝑜ℎ𝑜𝑜 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑜𝑜𝑜𝑜𝑏𝑏 𝑝𝑝ří𝑘𝑘𝑘𝑘𝑏𝑏š𝑛𝑛éℎ𝑜𝑜 𝑘𝑘𝑜𝑜𝑣𝑣𝑏𝑏 ∙ 𝑝𝑝𝑘𝑘𝑘𝑘𝑜𝑜𝑜𝑜ů

𝑗𝑗 = 2,79 ∙ 10⁻²¹

6,64 ∙ 10⁻²³ ∙ 4 = 168 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑗𝑗𝑚𝑚ů

Z výpočtu je zřejmé, že se musí sdružit 168 atomů čistého hliníku, aby se utvořil krystalizační zárodek hliníku o jeho kritické velikosti. Zachování těchto krystalizačních zárodků je nutné pro průběh přechodu čistého hliníku z tekutého do tuhého stavu.

Analogicky s použitím výše uvedených rovnic byly vypočítány počty sdružených atomů dalších kovů, které krystalizují v soustavě FCC a železa v BCC. Výsledky těchto výpočtů jsou uvedeny v tabulce 3.1

Tabulka 3.1 Vypočítané hodnoty sdružených atomů vybraných kovů pro stanovení kritické velikosti krystalizačních zárodků

Vypočítané hodnoty sdružených atomů pro tvorbu kritické velikosti krystalizačních zárodků

Kov

Mřížkový parametr

a0

kubické buňky

[cm]

Počet atomů připadajících

na jednu buňku

[1]

Hodnota kritické velikosti krystalizačního

zárodku rkrit (hom) [cm]

Hodnota objemu zárodku tvaru koule o poloměru

rkrit [cm³]

Hodnota objemu krystalické

buňky (VK.B) [cm³]

Počet sdružených

atomů n [1]

Hliník 4,05⋅10^-8 4 8,79⋅10^-8 2,79⋅10^-21 6,64⋅10^-23 168

Měď 3,61⋅10^-8 4 9,70⋅10^-8 3,82⋅10^-21 4,70⋅10^-23 325

Železo (BCC)

2,87⋅10^-8 2 9,73⋅10^-8 3,86⋅10^-21 2,36⋅10^-23 327

Nikl 3,52⋅10^-8 4 9,26⋅10^-8 3.33⋅10^-21 4,36⋅10^-23 306 Platina 3,92⋅10^-8 4 12,04⋅10^-8 7,31⋅10^-21 6,02⋅10^-23 486 Olovo 4,95⋅10^-8 4 11,89⋅10^-8 7,04⋅10^-21 12,13⋅10^-23 232 Stříbro 4,09⋅10^-8 4 11,49⋅10^-8 6,35⋅10^-21 6,84⋅10^-23 371

3.2 Výpočet teploty tání čistého hliníku v závislosti na tlaku

Výpočet byl proveden s uplatněním Clausius Clapeyronova rovnice (12). Do rovnice (12) je nutno dosadit odpovídající hodnoty tlaku, teploty změny entalpie a molových objemů kapalného a tuhého hliníku.

Molární objem závisí na relativní atomové hmotnosti a hustotě. Relativní atomová hmotnost hliníku je 26,98. Hustota hliníku pro tuhý stav (20 °C) je 2700 [kg⋅m^-3], tj. 2,700 [g⋅m^-3], a pro kapalný stav (660 °C) je 2480 [kg⋅m^-3], tj. 2,480 [g⋅m^-3], někteří autoři uvádějí hustotu 2380 [kg⋅m^-3]. Molární teplo tavení hliníku ∆H tání je

10 684 [J⋅mol^-1], dle jiné literatury 10 460 [J⋅mol^-1]. Skupenské teplo tání hliníku je 396 100 [J.kg^-1]. Molární objem pro kapalný hliník a pro tuhý hliník lze stanovit dle rovnic (13) a (14).

Stanovení molární objemu kapalného hliníku:

𝑉𝑉𝐿𝐿 = 𝑀𝑀_{𝐴𝐴𝑘𝑘}

𝜌𝜌𝐿𝐿(𝐴𝐴𝑘𝑘) = 26,98

2,48 = 10,88 [𝑐𝑐𝑚𝑚³∙ 𝑚𝑚𝑗𝑗𝑚𝑚⁻¹] = 10,88 ∙ 10⁻⁶ [𝑚𝑚³∙ 𝑚𝑚𝑗𝑗𝑚𝑚⁻¹] Stanovení molární objem tuhého hliníku:

𝑉𝑉𝑆𝑆 = 𝑀𝑀_{𝐴𝐴𝑘𝑘}

𝜌𝜌𝑘𝑘(𝐴𝐴𝑘𝑘) = 26,98

2,700 = 9,993 [𝑐𝑐𝑚𝑚³∙ 𝑚𝑚𝑗𝑗𝑚𝑚⁻¹] = 9,993 ∙ 10⁻⁶ [𝑚𝑚³∙ 𝑚𝑚𝑗𝑗𝑚𝑚⁻¹] Řešení Clausius Clapeyronova rovnice pro hliník

𝑑𝑑𝐾𝐾

𝑑𝑑𝑝𝑝

=

(𝑡𝑡á)

𝑗𝑗𝑇𝑇 = 𝑗𝑗𝑝𝑝 ∙

(𝑙𝑙𝑡𝑡á)

, 𝑗𝑗𝑇𝑇 = 𝑗𝑗𝑝𝑝 ∙

∆𝐻𝐻(𝑡𝑡á)

𝑗𝑗𝑇𝑇 = 𝑗𝑗𝑝𝑝 ∙

10460

𝑗𝑗𝑇𝑇 = 𝑗𝑗𝑝𝑝 ∙

𝑗𝑗𝑇𝑇 = 𝑗𝑗𝑝𝑝 ∙

10460

= 𝑗𝑗𝑝𝑝 ∙ 7,91 ∙ 10

𝑗𝑗𝑇𝑇 = 𝑗𝑗𝑝𝑝 ∙

10684

= 𝑗𝑗𝑝𝑝 ∙ 7,75 ∙ 10

V tabulce 3.2 jsou důležité hodnoty čistého hliníku a křemíku pro získání a řešení příslušné Clapeyronovy rovnice.