• No results found

2. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "2. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE "

Copied!
113
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)
(2)
(3)
(4)

Abstrakt

Diplomová práce se zabývá sledováním krystalizace a tuhnutí odlitků ze slitin mědi (měď, CuZn30, CuSn12 a CuZn31MnAl1), které byly odlévány do pískové bentonitové a kovové formy). Práce je rozdělena do tří částí. V první části je provedena rešerše výroby a rozdělení slitin mědi, metalurgie slitin mědi a podmínky krystalizace a tuhnutí včetně pouţití slévárenského simulačního programu MAGMA5. Druhá část je výpočtová a týká se fyzikálních a tepelně fyzikálních výpočtů čisté mědi. Třetí část je experimentální. Zde byly sledovány struktury odlitků desky (80 x 80 x 10 mm) odlévané do pískové a kovové formy. Byla sledována tvrdost odlitků. Byly provedeny simulační výpočty plnění, tuhnutí a chladnutí odlitků.

Abstract

Diploma thesis deals with monitoring the crystallization and solidification of copper alloys (copper, CuZn30, CuSn12 and CuZn31MnAl1) which have been cast in sand-bentonite and metal mould). The thesis is divided into three parts. The first part is a research production and distribution of copper alloys, copper alloys and metallurgical conditions of crystallization and solidification simulation, including the use of foundry program MAGMA5. The second part is a computational and relates to the physical and thermo-physical calculations pure copper.

The third part is experimental. Here were monitored structure castings plates (80 x 80 x 10 mm) cast into the sand mould and the metal mould. The castings of copper alloys were monitored for hardness. Simulation calculations were done for filling, solidification of the casting.

(5)

25. 5. 2015

(6)

Poděkování:

Ráda bych chtěla touto cestou poděkovat vedoucí mé diplomové práce prof. Ing. Ivě Nové, CSc. za cenné rady, připomínky a především za její trpělivost při naší spolupráci.

Dále bych ráda tímto poděkovala Ing. Jiřímu Machutovi, Ph.D za cenné rady, připomínky a mně věnovaný čas během realizace simulačních výpočtů a konzultace jejich výsledků v experimentální části této diplomové práce.

Zvláštní poděkování věnuji své rodině za trpělivou podporu během celého mého studia.

Bc. Dita Beranová

Diplomová práce vznikla na základě finanční podpory projektu studentské grantové soutěže /SGS 21005/ ze strany Technické univerzity v Liberci v rámci podpory specifického vysokoškolského výzkumu.

(7)

6

OBSAH

SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK ... 8

1. ÚVOD ... 10

2. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE ... 12

2.1 Měď a její slitiny ... 12

2.1.1 Fyzikální a technologické vlastnosti mědi ... 13

2.1.2 Výskyt mědi ... 14

2.1.3 Výroba mědi ... 15

2.1.4 Technicky čistá měď ... 17

2.1.5 Slitiny mědi ... 18

2.1.6 Tavení slitin mědi ... 28

2.2 Krystalizace odlitků ... 32

2.2.1 Krystalizace vybraných mosazí... 33

2.2.2 Krystalizace bronzu s obsahem 12% cínu ... 35

2.3 Charakteristika tuhnutí odlitků ... 36

2.4 Smršťování slitin mědi... 39

2.5 Struktura numerických simulačních programů ... 40

2.5.1 Charakteristika simulačního programu MAGMA5 ... 40

3. VÝPOČTOVÉ METODY PRO STANOVENÍ ZÁKLADNÍCH VLASTNOSTÍ ČISTÉ MĚDI ... 42

4. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST PRÁCE ... 53

4.1 Sledování krystalizace slitin mědi při odlévání do kovových a pískových forem ... 54

4.1.1 Metalurgická příprava taveniny odlévaných slitin ... 55

4.1.2 Měření tvrdosti odlitků ... 61

4.1.3 Metalografické hodnocení struktury odlitků ... 63

(8)

7

4.2 Sledování lomů odlitků slitin mědi ... 74

4.3 Numerické simulační výpočty, plnění, tuhnutí a chladnutí odlitků ze slitin mědi ... 77

4.3.1 Zhodnocení numerických simulačních výpočtů... 85

5. DISKUZE VÝSLEDKŮ ... 87

6. ZÁVĚR ... 93

LITERATURA ... 96

SEZNAM PŘÍLOH ... 98

(9)

8

SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK

ΔT - podchlazení taveniny [K]

V - objem odlitku [m3]

S - povrch odlitku [m2]

k - konstanta tuhnutí [m·s-1/2]

t - doba tuhnutí [s]

M - modul odlitku [m]

TS - teplotu solidu [K]

bF - součinitel tepelné akumulace formy [W2·s·m-4·K-2]

LKR - latentní krystalizační teplo [K]

Tl - teplota lití kovu [K]

cK - měrná tepelnou kapacitu tuhnoucího kovu [J·kg-1·K-1]

K - hustota tekutého kovu [kg·m-3]

- ztuhlá vrstva [m]

Ar - relativní atomová hmotnost kovu

n - počet atomů připadající na základní buňku daného kovu VB - objem krystalické buňky daného kovu [cm]

NA - Avogadrova konstanta [mol-1]

- součinitel teplotní roztaţnosti a teploty tání [K-1]

- teplotní vodivost [m2·s-1]

λ - tepelná vodivost kovu [W·m-1·K-1]

c - měrná tepelná kapacita [J·kg-1·K-1]

ρ - hustota [kg·m-3]

Rm - pevnost v tahu [MPa]

HB - tvrdost podle Brinella

G - Coulombův modul pruţnosti ve smyku [MPa]

E - Youngův modul pruţnosti [MPa]

μ - Poissonovo číslo

b - součinitel tepelné difuzivity

M - molární hmotnost [kg·mol-1]

- povrchové napětí [N·m-1]

(10)

9

VS - objem staţeniny [m3]

VT - objem taveniny [m3]

VZ - objem ztuhlého kovu [m3]

VZ - objem ztuhlého kovu [m3]

ρz - hustota ztuhlého kovu [kg·m-3]

VT - objem taveniny kovu [m3]

ρT - hustota taveniny kovu [kg·m-3]

l0 - počáteční délka materiálu [mm]

T - teplota [K]

a, b, c - konstanty materiálu

- součinitel teplotní roztaţnosti [K-1]

- Youngův modul pruţnosti odlitku [MPa]

- teplota na hranici nulové tekutosti [K]

- střední teplota tuhé kůry v daném časovém okamţiku [K]

- Youngův modul materiálu formy [MPa]

- plocha odlitku [m2]

- plocha líce formy [m2]

d(ΔH) - diferenciál přírůstku molární entalpie [J·mol-1]

dT - diferenciál teploty [K]

ΔCp - změna molární kapacity látky za konst. tlaku - změna Gibbsovy energie tání kovu při konst. tlaku a teplotě [J]

- entalpie tání [J·mol-1]

- entropie tání [J·mol-1·K-1]

- teplota tání [K]

- hustota tuhé fáze kovu [kg·m-3]

- hustota tekuté fáze kovu [kg·m-3]

Op - Mnoţství tepla [J]

ČSN - česká státní norma EN - evropská norma

ISO - mezinárodní organizace pro normalizaci

(11)

10

1. ÚVOD

V současné době je i přes značný rozvoj plastů, neustále věnována velká pozornost výrobě odlitků, nejen odlitků z tradičních slévárenských slitin (litin, slitin hliníku, hořčíku, zinku, atd.), ale také slitinám mědi. V našich podmínkách českého slévárenství existuje v současné době cca 30 sléváren mědi, které vyrábí nejrůznější odlitky.

Je nutno poznamenat, ţe i historicky měď má v našich dějinách značný význam, od 5000 let př. n. letopočtem doba měděná a na to navázala v období 3000 let př. n. letopočtem doba bronzová. V této době se začalo rozvíjet slévárenství slitin mědi.

Metalurgický výzkum mědi a jejich slitin, však nebyl nikdy u nás prováděn v takovém rozsahu jako tomu bylo u litin, ocelí na odlitky, slitin hliníku, slitin hořčíku a dalších. Pro slévárenské účely slitiny mědi nalézají uplatnění při výrobě celé řady odlitků.

Díky své dobré elektrické a tepelné vodivosti ( = 394 Wm-1 K-1) má měď značné uplatnění v elektrotechnice. Pro výrobu odlitků se vyuţívají velmi dobré mechanické vlastnosti slitin mědi a její odolnosti proti korozi. V současné době se ze slitin mědi pro slévárenské účely pouţívají mosazi (slitiny Cu + Zn) a bronzy (Cu +Sn, popř. další kovy mimo Zn).

Slévárenské mosazi se pouţívají pro různé účely, jako např. pro lití loţisek a pouzder, pro výrobu masivních šneků převodovek, Oběţných kol odstředivých čerpadel a jejich součástí, armatur, atd.

Slévárenské cínové bronzy se nejčastěji pouţívají na výrobu odlitků, které musí vykazovat dobrou pevnost, jako např. věnce ozubených kol, šroubová kola, sedla čerpadel, oběţná a rozváděcí kola, pouzdra a pánve. Dále pro odlitky, které jsou namáhané třením, odolávají korozi (oběţná kola odstředivých čerpadel a armatury).

Technologie výroby odlitků ze slitin mědi je aplikován většinou litím do pískových forem, popř. do kovových forem, nebo odstředivě, málo litím pod tlakem. Největší skupinu tvoří odlitky pro armatury, ventily, šneková kola atd.

(12)

11

Problematikou studia odlévání, tuhnutí a chladnutí odlitků ze slitin mědi se v poslední době zabývají pracovníci Katedry strojírenské technologie, FS, Technické univerzity v Liberci.

Také touto problematikou se zabývá tato diplomová práce, které je na téma

„Sledování krystalizace slitin mědi“.

(13)

12

2. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE

2.1 Měď a její slitiny

Měď patří po ţeleze a hliníku k nejpouţívanějším technickým kovům. Jedná se o kov načervenalé barvy. V přírodě se nejčastěji vyskytuje vázán na síru, ke které má vysokou afinitu (chalkopyrit, bornit). Afinitu má také ke kyslíku v podobě kupritu. Čistá měď se ve větší míře nachází na území Aljašky, ojediněle v Číně a Chile (Obr. 2.1). Má výbornou tepelnou a elektrickou vodivost. Vykazuje se velmi dobrou tvárností za tepla i za studena, přičemţ si tvárnost zachovává i při záporných teplotách. Měď má velmi dobrou korozní odolnost vůči atmosférickým vlivům i vůči mnoho chemikáliím. Vyznačuje se dobrou obrobitelností a svařitelností, ale bohuţel má horší slévatelnost. Přibliţně polovina vyrobené mědi se pouţívá v čisté formě pro elektrotechnický průmysl. Druhá polovina se vyuţívá k výrobě slitin mědi (mosazí nebo bronzů) nebo jako legující prvek do slitin jiných kovů. [5,4]

Obr. 2.1 Největší povrchový důl mědi v Chile – cca 30 milionu tun mědi [16]

(14)

13

2.1.1 Fyzikální a technologické vlastnosti mědi

V tabulce 2-1 jsou uvedeny atomové, fyzikální a termodynamické vlastnosti mědi. Krystalizuje v kubické plošně centrované soustavě. Patří mezi přechodné prvky a v periodické soustavě prvků, se nachází v 11 skupině, 4. periodě (blok d).

Na vlhkém vzduchu se povrch mědi pokrývá vrstvou zásaditých uhličitanů typické zelené barvy tzv. měděnka. [4]

Tab. 2-1 Fyzikální a technologické vlastnosti mědi [4]

Atomové vlastnosti

Rel. at. hmotnost 63,546

Atomový poloměr 128 pm

Kovalentní poloměr 132 pm van der Waalsův poloměr 140 pm Elektronová konfigurace [Ar] 3d10 4s1 Elektronů v hladinách 2, 8, 18, 1 Oxidační číslo I, II, III, IV

Fyzikální vlastnosti

Skupenství Pevné

Krystalová struktura Krychlová, plošně centrovaná

Hustota 8,94 g·cm-3

Tvrdost 3,0 (Mohsova stupnice)

Magnetické chování Diamagnetický

Teplota tání 1084,62 °C (1357,77 K)

Teplota varu 2562 °C (2835 K)

Molární objem 7,11 · 10−6 m3·mol-1 Tlak nasycené páry 100 Pa při 1850 K

Rychlost zvuku 3810 m·s-1

Elektrická vodivost 58,108 × 106 S·m−1 Měrný elektrický odpor 16,78 nΩ·m Tepelná vodivost 386 W·m−1·K−1

Termodynamické vlastnosti Skupenské teplo tání 13 KJ·mol-1 Skupenské teplo varu 307 KJ·mol-1 Měrná tepelná kapacita 24,440 J·mol-1·K-1

Technologické vlastnosti Tvářitelnost za studena Velmi dobrá Tvářitelnost za tepla Velmi dobrá

Slévatelnost Obtíţná

Svařitelnost Dobrá

Pájitelnost Velmi dobrá

Obrobitelnost Dobrá

(15)

14

2.1.2 Výskyt mědi

Měď se vyskytuje v přírodě v podobě různých minerálů a ojediněle jako čistý kov. Rudy obsahující měď jsou poměrně chudé, obsahují pouze 1 aţ 6% mědi.

Nejdůleţitějšími minerály obsahujícími měď a vyskytující se v rudách se dají rozdělit do dvou skupin:

sulfidické – chalkosin, chalkopirit, bornit, kovelin, oxidické – malachit azurit, kuprit, tenorit, chryzkol.

Přibliţně 85% mědi se vyrábí ze sulfidických rud, z toho asi polovina z chalkosinu, který je zobrazen na obr. 2.2. [1,2]

Obr. 2.2 Ruda mědi – chalkosin [17]

Těţené rudy jsou povětšinou chudé a v původním stavu nejsou vhodné pro zpracování na měď. Z toho důvodu se rudy upravují a do hutě jsou dávány jako koncentrát s obsahem 10 aţ 30% mědi. Tyto koncentráty obsahují také jiné doprovodné prvky, jejichţ získání výrobou mědi zhospodární.

Mezi největší světové producenty mědi patří především Chile, Peru, USA, Nové Mexiko a Utah. Významná loţiska měděných rud se dále nalézají v Zairu, Zambii, Kanadě, Kazachstánu a Polsku. Celkové zásoby mědi v ČR dosahují hodnoty 49 kt, na našem území jsou evidovaná 4 netěţená loţiska s bilancovanými zásobami mědi – Křiţanovice, Kutná Hora, Zlaté Hory-Hornické skály a Zlaté Hory- východ. Těţba měděných rud byla v ČR ukončena v roce 1990, nejvíce mědi (37,7 kt) se vytěţilo z vulkanosedimentárního loţiska monometalických, komplexních i polymetalických rud ve zlatohorském rudním revíru. Na obr. 2.3 je ukázka hutní výroby mědi z rudy. [1,2,4]

(16)

15

Obr. 2.3 Hutní výroba mědi

2.1.3 Výroba mědi

Pyrometalurgická výroba

Pyrometalurgický způsob spočívá v oxidačním praţení sulfidových rud, při kterém se sulfidy mědi přemění na oxidy. Další moţnost výroby je pomocí sulfatačního praţení, kdy je převáděn sulfid na sulfát, ze kterého se měď vylučuje cementací pomocí ţeleza.

Praţení se provádí nejčastěji v etáţových nebo fluidních pecích při teplotách kolem 800°C. Praţné plyny obsahující oxid siřičitý, jeţ slouţí k výrobě kyseliny sírové nebo elementární síry. Typické sulfatační a oxidační reakce probíhají při praţení sulfidických měděných rud. Praţenec se poté taví s přísadou struskotvorných látek v různých typech nístějových, šachtových nebo elektrických pecí při teplotě 1400°C na tzv. kamínek (měděný lech), který se dmýcháním vzduchu zpracovává v konvertorech na surovou měď. Při tavení reagují oxidy mědi se sulfidy ţeleza, měď ve formě Cu2S přechází do kamínku, ţelezo jako FeO přechází do strusky. Roztavený kamínek s vysokým obsahem sulfidu měďného se oxiduje pomocí vzduchu nebo kyslíku v různých typech konvertorů. [1]

(17)

16 Hydrometalurgická výroba

Chudé měděné rudy se obvykle zpracovávají hydrometalurgickými procesy, které spočívají v louţení rudy kyselinou sírovou nebo roztokem síranu ţelezitého.

Měď přejde do výluhu jako síran měďnatý, ten se zpracovává elektrolyticky nebo cementací ţelezem. Měděné rudy s vyšším obsahem ţeleza a vápníku se zpracovávají amoniakálním louţením pomoc roztoku hydroxidu a uhličitanu amonného za vzniku uhličitanu tetraamiměďnatého. Z amoniakálních výluhů se amoniak odstraní vyvařováním za sníţeného tlaku při teplotě 100-135°C, měď se získává jako surový kov nebo ve formě oxidů. [1]

Postup TORCO

Africké měděné oxidické rudy silikátového typu se zpracovávají postupem TORCO (Treatment of Refraktory Copper Ores), který spočívá v zahřívání jemně mleté rudy, chloridu sodného a uhlí ve fluidním reaktoru při teplotě 700-800°C, měď je vyredukována vodíkem, který v reaktoru vzniká reakcí vodní páry s uhlím. [1]

Rafinace

Vyrobená surová černá měď dosahuje čistoty 94 – 97% a musí se rafinovat.

Rafinace surové mědi se provádí přetavováním v nístějové peci za přídavku dřevěného uhlí. Vzniklá rafinovaná hutní měď má čistotu 99,7%. Dokonalejší rafinace mědi se dosahuje pomocí elektrolýzy v síranovém prostředí. Elektrolytická rafinovaná měď dosahuje čistoty aţ 99,95%. Odpadní anodové kaly z elektrolytické rafinace mědi jsou ceněným zdrojem pro výrobu mnohých dalších prvků, např. selenu, telluru, ruthenia, palladia, stříbra, rhenia, osmia, iridia nebo zlata. [1]

Biologické loužení

Přibliţně 20% (16 Mt) veškeré vyrobené mědi se od osmdesátých let minulého století získává biologickým louţením sulfidických rud covellinu a chalkosinu. Na rudu se působí vyluhovacím roztokem s obsahem acidofilních chemolitotrofních bakterií. Chemolitotrofní bakterie získávají energii oxidací anorganických sloučenin.

(18)

17

Principem biologického louţení je nepřímá oxidace rozpustných sulfidů na rozpustné sírany. Jako oxidační činidlo slouţí ţelezité soli vzniklé činností mikroorganismů ze solí ţeleznatých. Reakce jsou obdobné jako při kyselém louţení.

Z elementární síry vyloučené při oxidačních reakcích vzniká působením bakterií kyselina sírová, která se spolu se vzdušným kyslíkem účastní oxidačního procesu.

Biologické louţení mědi se provádí na hromadách, v tancích, metodou in-situ a vyuţívá se ke zpracování odvalů po bývalé hornické těţbě. Produktem je roztok síranu měďnatého, který se zpracovává elektrolyticky. Metoda biologické oxidace sulfidických rud mědi se vyuţívá v řadě těţebních a úpravárenských závodům v Chile (Lo Aguirre, Zaldívar, Cerro Colorado), USA (Equatorial Tonopah, Morenci) a Austrálii (Girilambone, Gunpowder Mammoth Mine). [1]

2.1.4 Technicky čistá měď

Měď se vyrábí převáţně ze sulfidových rud (chalkopyrit) s obsahem do asi 3% Cu hydro- nebo pyrometalurgickými postupy. Čistá měď (obr. 2.4) se získává elektrolytickou rafinací. Nejčastěji se vyuţívá v elektrotechnickém průmyslu pro svoji vynikající vodivost jako elektrovodný materiál. Elektrická vodivost čisté mědi (v rekrystalizačně ţíhaném stavu) má hodnotu 58 MS.m-1 a určuje standart elektrické vodivosti a označuje se jednotkou 100% IASC (International Anealed Copper Standart). Nečistoty v mědi velmi významně sniţují elektrickou vodivost. [2,5,7,8]

..

Obr. 2.4 Měď[1]

(19)

18

Čistá měď má poměrně špatné mechanické vlastnosti, zejména obrobitelnost.

Musí se provádět zpevňování legováním substitučním prvky (Ag) nebo přídavky prvků umoţňujících precipitační vytvrzování (Cr, Zr, Be). Bismut a olovo zhoršují tvářitelnost mědi za studena i za tepla. Obsah těchto prvků je přístupný do 0,01%.

Ze slévárenského hlediska má velmi významný vliv obsah fosforu, který při tavení slitin mědi slouţí jako dezoxidační prvek.

Vedle elektrotechnického průmyslu se měď vyuţívá ve stavebnictví (střešní krytina, svody), při stavbě ohřívačů a výměníků tepla. Díky své dobré odolnosti vůči slabým roztokům některých kyselin se pouţívá v chemickém průmyslu a v potravinářství. Odolnost vůči korozi je dána kladným elektrochemickým potenciálem (+0,34 V) a pasivačními účinky oxidů tvořících ochranné povrchové vrstvy. Vzrůstající význam mědi je ve fotovoltaice, kde je nedílnou součástí moderních tenkovrstvých fotoelektrických článků CIGS, vyuţívaných ke konstrukci trubicových fotoelektrických panelů. [2,5,6,7,8].

2.1.5 Slitiny mědi

Měď tvoří základní prvek ve velmi rozmanitém okruhu slitin. Je-li nutno u součásti lepších vlastností, je třeba pouţít slitiny mědi s vhodnými přídavnými prvky. Slitiny se často vyuţívají pro jejich zvláštní mechanické, frikční, fyzikální, antikorozní a jiné vlastnosti, které u jiných druhů slitin nejsou dostupné.

Slitiny mědi se dle hlavního legujícího prvku dělí do dvou základních skupin – na bronzy a mosazi. Některé slitiny se určují podle názvu hlavních prvků – např.

mědinikl, chromová měď, nebo se pouţívají speciální názvy pro slitiny určitého sloţení – např. pakfong apod. Slitiny, s hlavním legujícím prvkem zinkem, se nazývají mosazi. Obecně, je-li pouţit jiný prvek neţ zinek, jedná se o slitiny nazývající bronzy. Např. mohou být bronzy cínové, hliníkové, olověné a další.

Dále lze slitiny mědi dělit na slitiny k výrobě tvářených polotovarů a na slitiny slévárenské. [5,8,10]

(20)

19 Mosaz

Mosazi tvoří asi 80% všech slitin mědi. Nejrozšířenější mosazí jsou mědi obsahující mezi 5 aţ 40% zinku a kromě toho často další přídavné prvky (Al, Mn, Ni, Pb, Si atd.). Přidáním určitých legujících prvků má příznivý vliv na mechanické vlastnosti nebo korozní odolnost mosazi. Ţelezo se přidává do mosazi, protoţe působí jako krystalizační zárodky, tudíţ zjemňuje velikost zrna a zpevňuje matrici.

Obsah ţeleza je maximálně do 0,5%. Pro zvýšení houţevnatosti a odolnosti proti korozi se přidává nikl. Obsah niklu v mosazi je do 1%, výjimečně vyšší.

Mangan zvyšuje mechanické vlastnosti a odolnost proti korozi. Přidává se ho do 0,2 aţ 0,5%, u legovaných mosazí bývá aţ do 5%. Cín se přidává za účelem zvýšení zabíhavosti taveniny, pevnosti slitiny a zlepšení chemické odolnosti obzvláště proti mořské vodě. Obvyklý obsah do 0,5 aţ 1% Sn. Hliník nejčastěji bývá obsaţen ve slitinách určené pro kokilové lití. Zvyšuje odolnost proti korozi armaturních odlitků a zabraňuje zatuhnutí pohyblivých dílů. Antikorozní účinek hliníku souvisí s tvorbou vrstvy Al2O3 na povrchu součástí. Na druhou stranu hliník v důsledku tvorby oxidů zhoršuje slévárenské vlastnosti a způsobuje porezitu odlitků. Při lidí to písku je obsah hliníku pod 0,1%. Obvyklý obsah je 0,15 aţ 0,3% hliníku a u speciálních mosazí do 3%. Přidáním olova do mosazi se vytvoří slitiny nazývající automatové mosazi, které obsahují aţ do 3% Pb. Olovo zlepšuje obrobitelnost, ale sniţuje houţevnatost, proto běţný obsah olova v mosazi je kolem 1%. Nepříznivý vliv na vlastnosti mosazí mají křemík, selen, telur, antimon, síra a některé další prvky. Jejich obsah je limitován pod hodnotu 0,01%. [3,6,7,10]

Binární diagram slitin mědi se zinkem je na obr. 2.5. Jde o poměrně komplikovaný diagram, který obsahuje pět peritektických reakcí, při kterých vznikají intermetalické fáze β, γ, δ, ε, a η. Zinek tvoří s mědí substituční tuhý roztok α(Cu), s maximální rozpustností 32,5% Zn při teplotě 903°C. S klesající teplotou rozpustnost zinku roste aţ na hodnotu 39%Zn při teplotě 456°C. Při dalším sniţování teploty se změna rozpustnosti na struktuře neprojeví. Fáze α se vykazuje kubickou plošně centrovanou mříţkou a má tedy dobré plastické vlastnosti. Fáze β se objevuje v mosazi s obsahem více neţ 38% zinku a vlastní kubickou prostorově centrovanou mříţku. Vysokoteplotní fáze β je velmi houţevnatá a umoţňuje tváření za tepla.

Fáze β tvoří neuspořádaný tuhý roztok na bázi elektronové sloučeniny CuZn

(21)

20

a v rozmezí teplot 468 aţ 456°C se transformuje na pravidelně uspořádanou fázi β´.

Fáze β´je křehká a sniţuje houţevnatost. Mosaz, která je tvořena pouze fází β´je technicky nepouţitelná, proto obsah mědi v této slitině obvykle přesahuje 55%. [3,6,7,10]

Obr. 2.5 Rovnovážný diagram mosazi (Cu – Zn) [7]

Podle chemického sloţení se dělí na dvousloţkové a vícesloţkové a podle způsobu zpracování na tvářené a slévárenské. Vliv zinku na pevnost a taţnost mosazi je na obr. 2.6. S rostoucím obsahem zinku se zvyšuje pevnost i taţnost slitiny.

Mosaz dosáhne maximální pevnost při 46% zinku, ale maximální taţnosti lze ovšem dosáhnout při 32% zinku. [3]

Obr. 2.6 Vliv zinku na pevnost a tažnost mosazi v měkkém stavu [3]

(22)

21

Slitiny obsahující měď nad 80% se nazývají tombaky a lze je tvářením za studena zpevnit aţ na Rm ≈ 600 MPa. Tombaky jsou vhodné pro povrchové úpravy a mají dobrou korozní odolnost. Pouţívají se na měřicí přístroje, síta a biţuterii. Hlubokotaţná mosaz s obsahem 30 aţ 33% zinku se pouţívá pro výrobu nábojnic, hudebních nástrojů, v chemickém a potravinářském průmyslu. Automatová mosaz obsahuje 37 aţ 42% zinku a 1 aţ 4% olova. Zpracovávají se na obráběcích automatech a pouţívají se pro výrobu šroubů, tlakových ventilů atd. Zvláštním druhem mosazi je niklová mosaz (pakfong) s 58 aţ 60% mědi, s 8 aţ 20% niklu a zbytek tvoří zinek. Od běţné mosazi se liší vzhledem, protoţe nikl dává pakfongu stříbřitou barvu.

Slévárenské mosazi jsou zpravidla heterogenní a pouţívá se jich podstatně méně neţ mosazí tvářených. Obsahují 25 aţ 39% zinku. Často se tyto slitiny legují prvky Mn, Ni, Pb, Al a Sn pro zlepšení obrobitelnosti. Slitiny na bázi prvků CuZn(Sn, Pb) se nazývají jako „ţlutá mosaz“ a slitiny obsahující vysoký podíl manganu (10 aţ 20%) jako „bílá mosaz“. Jejich mechanické vlastnosti jsou podstatně horší neţ u mosazí tvářených. Mají dobrou zabíhavost a malý sklon ke vzniku ředin.

Vykazují se značným lineárním smrštěním, které činí cca 1,5%. Slévárenské mosazi se pouţívají pro výrobu vodovodních armatur, součástí čerpadel, pouzder, součástí, pracujících v prostředí solných roztoků. [3,6,7,10]

Bronzy

Stejně jako mosazi mohou být bronzy binární nebo vícesloţkové.

Homogenní bronzy jsou určené pro tváření a heterogenní se zpracovávají sléváním.

Nejpouţívanější odlévací technologií je lití do pískových forem. Poměrně nízká licí teplota umoţňuje i gravitační neb odstředivé lití do kovových forem. Tlakové lití se pouţívá jen výjimečně. [3,6,7,10]

Cínové bronzy

Cínové bronzy jsou nejstarším druhem pouţívaných bronzů. Obsahují legující prvek cín v mnoţství aţ do cca 22% Sn. Někdy obsahují do 2% Ni a do 0,5 aţ 1%

Pb. Přidáním niklu se zlepšují slévárenské vlastnosti a odolnost proti korozi.

(23)

22

Olovo zlepšuje obrobitelnost bronzu a podporuje samomazací schopnost loţisek.

Bohuţel pevností a plastické vlastnosti olovo sniţuje. Rovnováţný diagram slitin mědi s cínem je na obr. 2.7. [3,6,7,10]

Obr. 2.7 Rovnovážný diagram cínového bronzu (Cu – Sn) [7]

Rozpustnost cínu v tuhém roztoku α(Cu) je omezena a docílí největší teoretické hodnoty 15,8% Sn při teplotě 520°C. Rozpustnost cínu v tuhém roztoku s klesající teplotou klesá, při pokojové teplotě je zanedbatelná. Fáze α(Cu) má kubickou plošně centrovanou mříţku a disponuje dobrými plastickými vlastnostmi. Vysokoteplotní fáze β a γ mají kubickou prostorově centrovanou mříţku s poměrně dobrými plastickými vlastnostmi. Cínové bronzy, které obsahují fázi β a mají do 15%Sn, je moţné tvářet za tepla v rozmezí teplot 650 aţ 750°C.

Elektronová sloučenina Cu31Sn8 je obsaţena ve fázi δ se sloţitou kubickou mříţkou, která vzniká při ochlazování eutektoidní transformace fáze β resp. γ. Díky velké mikro segregaci cínu se fáze γ vylučuje na hranicích zrn fáze α. Tato fáze je křehká a tvrdá a poskytuje cínovému bronzu dobrou pevnost a vynikající kluzné vlastnosti.

Pod teplotou 450°C při běţných podmínkách ochlazování nedochází k dalším transformacím a za normální teploty je struktura tvořena směsí fáze α a fáze

(24)

23

eutektoidní (α+δ). Tato strukturní sloţka vede k nárůstu tvrdosti a pevnosti, ale klesá houţevnatost. Křehkou eutektoidní sloţku lze odstranit dlouhodobým ţíháním při teplotě 500°C u slitin s obsahem cínu do 10%. Vliv cínu na základní mechanické vlastnosti je na obr. 2.8. [3,6,7,10]

Obr. 2.8 Vliv cínu na pevnost a tažnost cínových bronzů (Cu-Sn) v měkkém stavu [3]

Cínové bronzy s homogenní strukturou a obsahem cínu do 9% jsou určené na tváření. S malým obsahem cínu se pouţívají v elektrotechnice. Na namáhaná kluzná loţiska a pruţiny se pouţívají slitiny s 6 aţ 9%Sn. Heterogenní slitiny s obsahem 10 aţ 12% Sn jsou slévárenské. Disponují dobrou pevností, houţevnatostí, kluznými vlastnostmi a odolnosti proti korozi. Přidáme-li do této slitiny 5 aţ 10% olova, zlepšíme její jiţ tak dobré kluzné vlastnosti. Pouţívají se na velmi namáhané armatury, kluzná loţiska atd. Speciální cínové bronzy tzv. zvonovina, která obsahuje kolem 22% cínu, je pruţný a velmi tvrdý bronz pro výrobu zvonů. Vysoce leštěný bronz pro optická zrcadla se nazývá zrcadlovka, která obsahuje cca 33% Sn. [3,6,7,10]

Červené bronzy

Jsou to méně ušlechtilé slitiny, které vznikají částečnou náhradou cínu u cínových bronzů zinkem. Mají dobré slévárenské a kluzné vlastnosti, přidáním olova se zlepšuje obrobitelnost. Pouţívají se na méně namáhané odlitky armatur nebo jako umělecké sochy. [3,6,7,10]

(25)

24 Hliníkové bronzy

Jedná se o slitiny obsahující aţ 12% Al s výbornými mechanickým vlastnostmi, vysokou odolností proti únavě, opotřebení, korozní odolností a odolností proti kavitaci. Vliv obsahu hliníku ve slitině na pevnost a taţnost je na obr. 2.9.

Další hlavními legujícími prvky jsou ţelezo, mangan a nikl. Hliníkové bronzy z hlediska chemického sloţení mohou být binární nebo polykomponentní, [3,6,7,10].

Obr. 2.9 Vliv hliníku na pevnost a tažnost hliníkových bronzů [5]

V binárním diagramu Cu-Al (obr. 2.10) je velmi úzký interval mezi teplotami likvidu a solidu. Díky tomu je velký sklon k tvorbě soustředěných staţenin a nutnost velmi masivního nálitkování. Na druhé straně je zanedbatelný sklon k tvorbě rozptýlených staţenin a ředin. Struktura odlitků je kompaktní a mají dobrou těsnost.

Rozpustnost hliníku v mědi je maximální při eutektické teplotě 1048°C a má hodnotu 7,4% Al. Fáze α je substitučním roztokem s kubickou plošně centrovanou mříţkou a disponuje s velmi dobrými plastickými vlastnostmi. Během ochlazování se rozpustnost hliníku zvyšuje na maximálních 9,4% Al při eutekttoidní teplotě 565°C. Fáze β ve struktuře vzniká po překročení maximální rozpustnosti, která se při pomalém ochlazování transformuje při eutektioidním rozpadu na eutektoid (α+γ2). Fáze γ2 je elektronová sloučenina Cu9Al4, která je tvrdá a křehká. Vlivem fáze γ2 je růst tvrdosti slitiny a zároveň pokles houţevnatosti s rostoucím obsahem hliníku nad 10%Al velmi strmý. Tudíţ slitina při obsahu 14%

Al je velmi křehká, obtíţně obrobitelná a pro běţné technické účely nevhodná.

Při velmi rychlém ochlazení z homogenní fáze β dochází k transformaci za vzniku neuspořádané fáze β´, [3,6,7,10].

(26)

25

Obr. 2.10 Rovnovážný diagram hliníkového bronzu (Cu-Al) [18]

Struktura v litém stavu je tvořena směsí fáze α a eutektoidu (α+γ2), který vznikl rozpadem vysokoteplotní fáze β. Ve slitinách, kde se objevuje obsah niklu, je fáze γ2 nahrazena vícesloţkovou fází κ, obsahující Fe, Ni a Al.

Norma EN ČSN 1982 uvádí 5 druhů hliníkových bronzů. Tyto bronzy mají obsah hliníku v rozmezí od 8 aţ 11% Al, které se liší především obsahem legur Fe, Mn a Ni. Ţelezo do 3% zjemňuje strukturu a precipitačně zpevňuje matrici slitiny.

Mangan zuţuje oblast fáze α. Současně zvyšuje pevnost a zlepšuje odolnost proti korozi. Obsah manganu je maximálně do 3%. Nikl zvyšuje mechanické vlastnosti díky precipitačnímu zpevnění intermetalickou fází CuFeNi a sniţuje houţevnatost. Niklu se přidává od 1 do 6%.

Hliníkové bronzy jsou vhodné pro výrobu součástí silně namáhaných na otěr jako např. šneková kola, loţiska pro velké tlaky a malé rychlosti, součásti do nejiskřivého prostředí, součástky odolné proti mořské vodě, solným roztokům a organickým kyselinám. Slouţí také k výrobě plaket a mincí. [3,6,7,10]

(27)

26 Olověné bronzy

Měď a olovo jsou v kapalném stavu částečně rozpustné a v tuhém stavu téměř nerozpustné. Struktura je tedy tvořena krystaly téměř čisté mědi a krystaly olova.

Vzhledem rozdílných teplot tuchnutí a hustoty jsou oba prvky velmi náchylné na segregaci. Proto se musí provádět časté míchání roztaveného kovu a speciální metalurgické zásahy. Jsou-li obě fáze rovnoměrně a jemně rozptýleny rychlím ochlazením, mají slitiny velmi dobré kluzné vlastnosti. Další předností je dobrá tepelná vodivost. Pouţívají se na kluzná loţiska pro vysoké tlaky a značné obvodové rychlosti. Na obr. 2.11 je zobrazen rovnováţný diagram olověného bronzu. [3,6,7,10]

Obr. 2.11 Rovnovážný diagram olověného bronzu (Cu-Pb) [19]

Křemíkové bronzy

Rovnováţný diagram křemíkového bronzu je na obr. 2.12. Největší rozpustnost křemíku v mědi je 5.3%Si, při vyšším mnoţství křemíku vznikají křehké fáze, které zamezují technickému vyuţití slitiny. Proto nejčastější obsah křemíku je do 3,5%. Vliv křemíku na pevnost a taţnost slitiny je zobrazen na obr. 2.13.

(28)

27

Do křemíkových slitin se přidávají legury Mn, Zn, Ni a Sn. Disponují dobrou pevností do 250°C, vysokou taţností a jsou vhodné pro pouţití za nízkých teplot aţ do -180°C. Nevýhodou je poměrně špatná obrobitelnost, která lze zlepšit přidáním 0,5%Pb. Slitiny na tváření obsahují do 3,5Si, slévárenské mají aţ 5%Si.

Mají dobrou chemickou odolnost v chemickém prostředí a mají velmi dobré třecí vlastnosti. Slouţí jako náhrada za drahé cínové bronzy. [3,6,7,10]

Obr. 2.12 Rovnovážný diagram křemíkového bronzu (Cu-Si) [20]

Obr. 2.13 Vliv křemíku na pevnost a tažnost křemíkových bronzů [5]

Beryliové bronzy

Kromě binárních slitin, které mají do 0,7% Be dobrou elektrickou vodivost, se častěji poţívají komplexní slitiny s prvky Ni, Co, Mn, Ti, které mají vynikající mechanické vlastnosti a dobrou odolnost proti korozi. Jsou to nejpevnější slitiny

(29)

28

na bázi Cu. Vytvrzené slitiny mají pevnost v tahu aţ 1400 MPa a tvrdost aţ 400 HV.

Při obsahu 2% Be dosahují slitiny nejlepších mechanických vlastností. Jsou vhodné na pruţiny, nejiskřící nástroje, zápustky pro tváření, loţiska, lodní šrouby sportovních člunů apod. Na obr. 2.14 je rovnováţný diagram beryliového bronzu.

[3,6,7,10]

Obr. 2.14 Rovnovážný diagram beryliového bronzu (Cu-Be) [21]

Niklové bronzy

Nikl je s mědí dokonale rozpustný v tuhém stavu. S rostoucím obsahem niklu se zvyšuje tvrdost a pevnost (aţ 600 MPa), ale bohuţel klesá taţnost. Tyto slitiny mají dobrou houţevnatost, odolnost proti tečení a vynikající odolnost vůči korozi.

Nejčastěji se vyskytují v ternární bázi Cu-Ni-Mn s menším mnoţstvím dalších legur (Si, Al a Fe). Slitina s obsahem 18 aţ 27% Zn a cca 18% Ni se nazývá alpaka.

Niklové bronzy se pouţívají v chemickém průmyslu, na lékařské nástroje, mince, termočlánky. [3,6,7,10]

2.1.6 Tavení slitin mědi

Měď a její slitiny se nejčastěji taví v kelímkových pecích, vytápěných odporově, plynem (mimořádně i jinými palivy) nebo v elektrických indukčních pecích. Na Vsázkovou surovinu se pouţívají housky slitiny daného typu, vratný

(30)

29

materiál a tříděný měděný odpad. Pro úpravu chemického sloţení se pouţívají čisté přísadové kovy, těţko tavitelné nebo lehce oxidující kovy se přidávají jako předslitiny s mědí. Předslitinami mohou být např. Cu-Al, Cu-Fe, Cu-Ni, Cu-Si, Cu- Mn, Cu-Cr, Cu-P nebo jiné, s různými obsahy legujících prvků. V čisté formě se přidávají cín, zinek a olovo. Značným zdrojem naplynění je vlhká vsázka a vsázka, která je znečištěna organickými produkty (olej, mazadla apod.).

U velké části slitin z mědi dochází při jejich tavení na vzduchu k oxidaci a k naplynění vodíkem. Zásadním zdrojem plynů je vodní pára, spaliny v tavících pecích a organické nečistoty na vsázkových surovinách. Vodní pára se vytváří z pecní atmosféry, vyzdívky, solí, vlhké vsázky a nářadí, nebo z vlhkosti formy.

Při styku s tekutým kovem se H2O rozkládá na vodík a kyslík, které se rozpouští v tavenině. Oxidické vměstky, které sniţují mechanické vlastnosti odlitků, vznikají oxidací. Vměstky vyskytující se v tekutém nebo v tuhém stavu, se v největší míře váţou do strusky. Pro zachycení vměstků ve strusce a vytvoření ochranné vrstvy strusky se pouţívají krycí a rafinační soli.

Ve slitinách reaguje kyslík s mědí za vzniku oxidu měďného (Cu2O), který se rozpouští v tavenině. Pomocí fosforu, manganu nebo jiných prvků se provádí desoxidace. [9,10,11]

Rozpustnost vodíku ve slitinách mědi závisí na teplotě kovu a na tlaku.

Rozpustnost vodíku v mědi je endotermický proces a pod vlivem teploty se mění (tabulka 2-2). Významně vyšší rozpustnost je v tekutém stavu, neţ v tuhém stavu.

Z toho důvodu během tuhnutí dochází k vylučování vodíkových bublin a vzniká pórovitost odlitků. Obsah vodíku v tavenině je obvykle v rozmezí 1 aţ 20 cm3 na 100g taveniny. Závislost mnoţství rozpuštěného vodíku a kyslíku je vyuţívána při metalurgickém vedení tavby. Vedení tavby slitin mědi lze realizovat dvěma způsoby – oxidační vedení tavby a redukční vedení tavby. [9,10,11]

Tab. 2-2 Rozpustnost vodíku v mědi

Rozpustnost vodíku v mědi [cm3 na 100 g]

Teplota [°C] 500 700 900 1000 1100 1200

Množství H2 0,3 1,1 2,4 3,2 13,0 16,2

(31)

30 Oxidační vedení tavby

Je zaloţena na záměrném zvýšení obsahu kyslíku v tavenině, který se provádí spalováním paliva s přebytkem vzduchu (oxidační plamen) nebo aplikací solí a přípravků, které obsahují tzv. nosiče kyslíku. Zdrojem kyslíku bývají snadno rozloţitelné oxidy, např. CuO, nebo MnO2.

Vzhledem nízkému obsahu rozpuštěného vodíku v tavenině při oxidačním způsobu tavení je nebezpeční vzniku plynových dutin malé. Před odléváním je nutné vysoký obsah kyslíku zredukovat desoxidací. [9,10,11]

Redukční vedení tavby

Probíhá v prostředí, ve kterém je zabráněno kontaktu taveniny s kyslíkem.

Toho lze docílit nastavením redukčního plamene (s přebytkem paliva) nebo pomocí redukčních krycích prostředků, nejčastěji pokrytím hladiny kovu dřevěným uhlím nebo redukčními přípravky. Často se uplatňuje generátorový plyn s obsahem 25% Co a méně neţ 5% CO2, maximálně 0,01% H2 a O2 a zbytek tvoří N2.

Nevýhodou tohoto způsobu tavby je nekontrolované naplynění vodíkem.

Před odlitím je nutné sníţit mnoţství vodíku v tavenině. Lze to uskutečnit některým způsobem odplyňování, např. pouţitím odplyňovacích solí, probubláváním inertními plyny nebo vakuováním. Při redukčním vedení tavby je obsah kyslíku v lázni malý a pro závěrečnou desoxidaci obvykle stačí pouţít jen malé mnoţství desoxidačních prostředků.

Ochrana taveniny proti naplynění je zaloţena na zamezení přímého kontaktu taveniny s okolní atmosférou. Pouţívají se k tomu krycí přípravky, obvykle směsi solí. Úkolem strusky je také vazba vměstků a nečistot, vznikajících v kovu.

Při redukčním vedení tavby je moţno hladinu kovu pokrýt vrstvou dřevěného uhlí. [9,10,11]

Desoxidace

Desoxidace se realizuje v poslední fázi tavby těsně před odléváním.

Jejím úkolem je sníţení obsahu kyslíku na přípustnou hodnotu. Oxid vznikající při desoxidaci se musí dát lehce odstranit z povrchu taveniny a přebytečné mnoţství desoxidačního činidla nesmí zhoršit vlastnosti odlitku. Pro desoxidaci mědi se pouţívají nerozpustná i rozpustná desoxidační činidla. Karbid vápníku CaC2

(32)

31

se pouţívá jako nerozpustný desoxidovadlem mědi. Rozpustnými desoxidovadly mědi jsou fosfor, bór, litium, hořčík, zinek, mangan atd.

Desoxidační přípravy se do sléváren dodávají v podobě patron, které se aplikují pro dané mnoţství a typ slitiny, nebo se pouţívají předslitiny těchto prvků s mědí. Zinek se aplikuje jako čistý kov. Desoxidačními prostředky u bronzů jsou fosfor a kovové prvky hořčík, lithium a zinek. Zinek v mosazi působí jako desoxidační prvek, tudíţ se slitiny nemusí dále desoxidovat.

Fosfor je nejpouţívanějším desoxidačním prvkem při výrobě tvarových odlitků, který se přidává ve formě předslitiny CuP10. Běţně se dávkuje v mnoţství 0,2 aţ 0,4 hmot. % tekutého kovu. Dodává se ve tvaru tabulky „čokolády“, která se na poţadované mnoţství dělí lámáním. [9,10,11]

Tavení mosazi

Způsob tavení mosazí je určen dvěma základními vlastnostmi zinku.

První z nich je teplota vypařování zinku, která je 905°C. Vysoký tlak zinkových par v oblasti tavicích teplot mosazi brání rozpouštění vodíku. Z toho důvodu je moţné mosaz tavit v redukční atmosféře bez nebezpečí naplynění vodíkem.

Zpravidla není nutné provádět odplyňování. Při redukčním způsobu tavení dochází k malým ztrátám zinku a ostatních prvků propalem. Druhou vlastností zinku je, ţe má vyšší afinitu ke kyslíku, neţ měď, a proto se netvoří oxidy mědi. Oxidy zinku se váţou ve strusce na hladině kovu. Přesto se většinou provádí mírná desoxidace fosforovou mědí nebo přípravky s lithiem. Zlepšuje se tím zabíhavost a odstraňuje oxidické pleny.

Obsahuje-li mosaz prvek se silnou afinitou ke kyslíku, musí se při tavení pouţívat krycí a rafinační prostředky. Jako tavidlo a krycí prostředek se např.

pouţívá drcené sklo, tetraboritan sodný Na2B4O7 a jiné látky. Mosaz obsahující hliník lze tavit bez krycích prostředků, protoţe hliník tvoří na hladině ochrannou vrstvu, která brání oxidaci. [9,10,12]

Tavení bronzů

Tavení bronzů probíhá v mírně oxidické atmosféře. Předně se měď taví pod ochrannou vrstvou, přičemţ katodová měď s velkým obsahem vodíku se nepouţívá bez její předběţné rafinace. Vhodně zvolené ochranné krytí sniţuje

(33)

32

moţnost nasycení slitiny plyny v procesu tavení a chrání kov před oxidací, ale neumoţňuje odstranění plynů přítomných v tavenině. Po rychlém roztavení mědi je nezbytná desoxidace před přidáním legujících přísad. Pořadí přidávaných přísad je určeno fyzikálně-chemickými vlastnostmi přísad a poţadovanou koncentrací ve slitině. Nejdříve se přidávají prvky s vyšší teplotou tání, chemicky méně aktivní a s větším obsahem ve výsledné slitině. [9,10,11]

2.2 Krystalizace odlitků

Krystalizace kovů, v tomto případě slitin mědi závisí na termodynamických podmínkách fázového přechodu. Tavenina slitiny mědi se mění v krystalickou fázi, pokud nastávající termodynamické podmínky, tj. Gibbsova energie klesá (viz obr. 2.15) To je za předpokladu, ţe krystalizace probíhá za konstantní teploty a tlaku. [12]

Obr. 2.15 Závislost kritické velikosti zárodku na změně Gibbsovy energie [12]

1 – Gibbsova energie potřebná k vytvoření povrchu zárodku;

2 – Gibbsova energie potřebná ke vzniku objemu zárodku

Další podmínkou vzniku krystalů je podchlazení taveniny. To se u odlitků děje vlivem tepelné akumulační schopnosti slévárenské formy. Proces krystalizace se také prakticky řídí způsobem odvodu tepla z taveniny. Hybnou silou krystalizace jsou krystalizační zárodky. U nehomogenních tavenin vznikají při krystalizace zárodky heterogenní nukleací. V praxi se objevuje tento typ vzniku zárodků.

Tavenina není nikdy ideálně čistá, jak se předpokládá u homogenní nukleace.

Vţdy tavenina obsahuje cizí částice, ať jiţ zbytky strusky, úlomky pecní vyzdívky, oxidy, křemičitany, ale téţ někdy úmyslně přidáváme očkovadla a modifikátory.

(34)

33

Tyto částice usnadňují krystalizaci, neboť při heterogenní nukleaci stačí podchlazení 0,02TKR. Na obr. 2.16 je schéma závislosti Gibbsovy energie pro tuhou (s) a kapalnou fázi (l) s vyznačením podchlazení taveniny ΔT. [12]

Obr. 2.16 závislost Gibbsovy energie tuhé a kapalné fáze na teplotě [12]

Základem pro krystalizaci slitin mědi na bázi Cu-Zn – mosazí je rovnováţný diagram, viz obr. 2.5. Pro krystalizaci cínových bronzů je důleţitý rovnováţný diagram Cu-Sn, viz obr. 2.7. Struktura bronzu CuSn12 po krystalizaci a chladnutí je podmíněna nízkou hodnotou rozdělovacího koeficientu Sn v Cu, tím dochází ke značné mikrosegregaci cínu a ve struktuře se za normální teploty objevuje δ fáze i ve slitinách s podstatně niţším obsahem cínu neţ odpovídá jeho maximální rozpustnosti (15,8% Sn), viz obr. 2.7. Podmínky krystalizace vícesloţkových slitin mědi, např. mosazi CuZn31MnAl, jsou velmi sloţité, tyto soustavy jsou charakterizovány řadou intermediálních fází a chemických sloučenin. [12]

2.2.1 Krystalizace vybraných mosazí

Mosaz s obsahem 30% zinku

Krystalizace CuZn30 – mosaz Ms 70, probíhá podle schématu:

) ( 915

950 )

% 30

( Zn

C

L

Zn

    

 

(35)

34

U slitin CuZn30 je fáze α bohatá na měď, která krystalizuje s mříţkou FCC o rozměrech 3,608.10-10 [m]. Je to typický tuhý roztok substitučního typu, kde část atomů mědi jsou nahrazeny atomy zinku.

V litém stavu má mosaz typickou dendritickou strukturu. V tomto případě osy dendritů krystalizují jako první a jsou obohaceny o hůře tavitelnou mědí (na snímkách mikrostruktury bílé oblasti), mezifázové prostory se v poslední fázi krystalizace zaplňují tuhým roztokem, který je velmi bohatý na zinek (na snímkách mikrostruktury tmavé oblasti). [6,7]

Mosaz s obsahem 35% zinku

Krystalizace této slitiny mědi probíhá ve dvou etapách, podle schématu:

1. etapa (primární krystalizace)

) ( ) ( 903

)

% 35 (

1

q n p a C

t

Zn L

L 

Poznámka: V závorkách je naznačena změna složení tuhé a tekuté fáze, body odpovídají určitým místům rovnovážného diagramu.

2. etapa (peritektická přeměna)

zbytek L(q)

903 C

(s)

(p)

Jakmile v dané slitině při nedostatku tekuté fáze proběhne peritektická přeměna, rozpouští se jen nepatrná část krystalů tuhého roztoku α. Při dalším ochlazování slitiny v důsledku toho, ţe se rozpustnost zinku v mědi sniţováním teploty zvyšuje, probíhá rozpouštění β krystalů ve fázi α:

) ( 750

903

k p C

 

 

Při teplotě 750°C se fáze β celkem rozpouští a dalším ochlazováním na pokojovou teplotu má slitina jednofázové sloţení. Za těchto podmínek bude mít slitina při pokojové teplotě stejnou strukturu jako předchozí slitina s 30% Zn.

To platí jen tehdy, kdyţ se slitina ochlazuje pomalu a kdyţ probíhají úplně všechny fázové přeměny. Praxe však ukazuje, ţe v provozních podmínkách ochlazování se vyskytují krystaly tuhého roztoku β i ve slitinách s 32% Zn;

při rychlém ochlazování se zinek nestihne rozpustit ve fázi α. Výsledek potom je, ţe slitina má nerovnováţnou strukturu, která se skládá z krystalů α + β. [6,7]

(36)

35

2.2.2 Krystalizace bronzu s obsahem 12% cínu

Bronz s obsahem 12% cínu leţí v oblasti rovnováţného diagramu, kde vznikají čtyři teplotní oblasti přeměn (1000°C, 799°C a 586°C, 520°C, 350°C) a probíhá za vzniku dvoufázové struktury. Krystalizace tohoto bronzu probíhá ve dvou stádiích:

1. stádium probíhá v teplotním intervalu 1000°C až 799°C

) ( ) ( 799 1000 )

% 12

( b p a q

C

Sn L

L  

Tuhý roztok α je substituční tuhý roztok cínu a mědi. Má kubickou plošně centrovanou mříţku.

2. stádium probíhá pří teplotě 799°C

zbytková L(q)(p)799 C (k)(p)

Při dalším ochlazování, při teplotě 586°C, probíhá eutektoidní rozpad fáze β:

(d)586 C

Poznámka: v závorkách je složení fází, a, b, d, p, q jsou body odpovídající místům v rovnovážném diagramu.

Vysoce teplotní intermetalické fáze β je elektronová sloučenina Cu5Sn, která má prostorově centrovanou kubickou mříţku a elektronovou koncentraci 3/2.

Další vysoce teplotní intermetalická fáze γ je elektronovou sloučeninou Cu31Sn8 má kubickou prostorově centrovanou mříţku a elektronovou koncentraci 21/13.

Po skončení eutektioidního rozpadu se struktura slitiny skládá z tuhého roztoku α eutektoidu, směsí fází, (α + γ).

Při teplotě 520°C se rozpadá γ fáze podle eutektoidní reakce:

) (

31 8

520C

  Cu Sn

    

Fáze δ je elektronová sloučenina Cu31Sn8 se sloţitou kubickou mříţkou.

Vzhledem k tomu, ţe vzniká velká mikrosegregace cínu, proto se fáze δ vylučuje na hranicích zrn fáze α. Pod teplotou 450°C při běţných podmínkách ochlazování

(37)

36

jiţ nedochází k další transformaci a za normální teploty je struktura slitiny tvořena směsí fáze α a eutektoidních fází (α + δ).

Podle rovnováţného diagramu se objevuje eutektoid v bronzech, kdyţ je koncentrace cínu ve slitinách více neţ 15%. Můţe se však vyskytnout uţ při obsahu 6 aţ 7% Sn, v důsledku posunutí hranice α oblasti.

Při ohřevu takovéhoto nerovnováţného bronzu se rozpouští eutektoid a bronz dostává typickou jednofázovou strukturu. Při obyčejných strukturních sloţkách se u podvojných bronzů často setkáváme s vměstky, které jsou v podobě oxidů a různých přimíšenin. Velmi neţádoucí je v cínových bronzech kysličník cíničitý – SnO2, jeho vměstky jsou velmi křehké a tvrdé. Vměstky SnO2 v loţiskových cínových bronzech vydírají ocelové čepy i hřídele. Vměstky SnO2 se sledují v neleptaném stavu na metalografických vzorcích, kde vytváří šedé částice vměstků.

Na dezoxidaci cínových bronzů se pouţívají malé přídavky (setiny procenta) fosforu.

[6,7]

2.3 Charakteristika tuhnutí odlitků

Reálné odlitky mají dost často rozmanité tvary, které se dají nejčastěji rozloţit na jednoduchá geometrická tělesa, jako je např. deska, válec, koule apod.

Bylo zjištěno, ţe odlitky o stejném objemu, popř. hmotnosti, ale odlišném tvaru nemají stejnou dobu tuhnutí. Z toho vyplývá, ţe pro tuhnutí je rozhodující povrch tělesa, kterým se odvádí teplo do formy. Nejdříve však pro sledování tuhnutí odlitku byl zaveden důleţitý pojem redukovaná tloušťka odlitku, aţ později se zavedl pojem modul odlitku. Tento modul zohledňuje vztah mezi objemem a povrchem tuhnoucího tělesa. Uvaţuje se zde tzv. styčný povrch, kdy se odlitek stýká s formou a přes který probíhá intenzivní odvod tepla z odlitku do formy. Modul odlitku se určí podle vztahu 2.1. Pro stanovení je třeba uvaţovat jen plochy, kterými přestupuje teplo z odlitku do formy. [12,13]

S

MV [m], (2.1)

kde je:

V … objem odlitku [m3];

S … povrch odlitku přes který dochází ke sdílení tepla do formy [m2].

(38)

37

Celková doba tuhnut odlitku dle CHVORINOVA [13] lze určit vztahem 2.2.

2



 

 k

t M , (2.2)

Po zlogaritmování vztahu (2.2) obdrţíme:

) log(

) log(

log t   k

2

M

2 , (2.3)

kde je:

k … konstanta tuhnutí [m.s-1/2];

t … doba tuhnutí [s].

Na základě vztahu (2.3) lze vytvořit obecný nomogram (obr. 2.17), který lze nakreslit pro konkrétní podmínky výroby odlitků ve slévárenské praxi. Příslušná hodnota modulu charakterizuje odlitek a konstanta tuhnutí definuje formu.

Na základě příslušného modulu odlitku se určí doba tuhnutí. Přímky konstant tuhnutí jsou pod úhlem 60°. Přímka k1 představuje pomalou ochlazovací schopnost formy a tím i delší čas tuhnutí odlitku. Naopak přímka k6 zastupuje vysokou ochlazovací schopnost formy, tj. kratší čas tuhnutí odlitku. [12,13]

Obr. 2.17 Nomogram tuhnutí odlitků dle různých konstant tuhnutí k [13]

Z rovnice (2.2) vyplývá, ţe s rostoucím modulem odlitku se doba prodluţuje a naopak s růstem konstanty tuhnutí se doba tuhnutí zkracuje. Konstanta tuhnutí závisí především na ochlazovacím účinku slévárenské formy – součinitel tepelné akumulace formy. [12,13]

 

 



 

K K S l K

F S

c T T L

b k T

 ] 158 [

, 1

,

(2.4)

(39)

38 kde je:

TS … teplotu solidu;

bF … součinitel tepelné akumulace formy;

LKR … latentní krystalizační teplo;

Tl … teplotu lití kovu;

cK … měrnou tepelnou kapacitu tuhnoucího kovu;

K … hustotu tekutého kovu.

Konstantu tuhnutí lze také stanovit pomocí vylévací zkoušky. Tato metoda je zaloţena na přímém měření rychlosti postupu tuhé vrstvy kovu v závislosti na čase. Na experimentální zjišťování konstanty tuhnutí je potřeba vztah pro výpočet ztuhlé vrstvy odlitku (2.5). [12,13]

√ , (2.5)

kde je:

k … konstanta tuhnutí [m.s-1/2];

t … doba tuhnutí [s].

Princip experimentu je zaloţen na tom, ţe se jedním kovem o stejné licí teplotě odleje do několika forem. V předem určených časech (t) se postupně vylévá z jednotlivých forem tavenina, která ještě neztuhla. Následně se změří tloušťka ztuhlé vrstvy (ξ) kovu a současně se z vykonaného experimentu stanoví konstanta tuhnutí (k). Konstantu tuhnutí se vypočítá z aritmetického nebo geometrického průměru dílčích konstant tuhnutí (k1, k2 aţ ki). Hodnoty konstant tuhnutí pro mosaz jsou v tab. 2-3. [12,13]

Tab. 2-3 Hodnoty konstant tuhnutí pro mosaz [12]

Typ slévárenské formy

k [m.s-1/2] Písková forma 0,00217

Kokila LLG 0,00483

(40)

39

2.4 Smršťování slitin mědi

Během tuhnutí a chladnutí odlitku probíhají různé jevy, především fyzikální, které vedou ke změnám rozměrů a objemu odlitku. K těmto jevům se řadí smršťování, při kterém probíhají procesy vyvolávající v odlitcích různé vady (staţeniny, řediny, osovou pórovitost, deformaci a zborcení tvaru odlitku, trhliny a praskliny, popř. zbytková nebo dočasná pnutí), které mění výsledné rozměry odlitku a vyvolává podmínky k tvorbě vnitřních dutin odlitku.

Podstatou smršťování jsou objemové změny tekuté a tuhé fáze odlévaného kovu (slitiny kovu) s poklesem teploty a objemové změny při fázových přeměnách.

Projevují se charakteristickými změnami v odlitku, při kterých se celkové rozměry odlitku zmenšují nebo se v něm vytvářejí staţeniny a dochází tak k vnitřnímu pnutí.

Dojde-li ke změnám v objemu, jedná se o objemové smrštění. Toto smrštění se také nazývá stahování a v odlitku se vytvářejí soustředěné staţeniny, řediny a mikropórovitost. Délkové změny rozměrů odlitku se nazývají smršťování lineární.

K tomuto smršťování dochází při chladnutí odlitku a je důvodem zmenšení rozměrů odlitku vůči modelu. [12]

Proces tuhnutí a chladnutí odlitku lze rozčlenit do tří etap:

 smršťování v tekutém stavu (Tlití – TS);

 smršťování při krystalizaci (v intervalu teplot tuhnutí), (TL – TS);

 smršťování v tuhém stavu (TL – Tok).

Bezprostředně po odlití taveniny do formy dochází k odvodu tepla z kovu do formy. Zároveň vzniká smrštění taveniny, které končí aţ jejím tuhnutím.

Smršťování v tekutém stavuje je spojeno s poklesem hladiny taveniny. Míra smrštění je tím větší, čím vyšší je licí teplota taveniny. Smršťování při krystalizaci, stahování, nastává mezi teplotou likvidu a solidu. S klesající teplotou přibývá tuhé fáze na úkor taveniny. Dochází ke zmenšování objemu při krystalizaci a zmenšování objemu ještě kapalné fáze a ke smršťování jiţ tuhé fáze. Projevem je vznik staţeniny. Smršťování v tuhém stavu se projevuje především lineárním smrštěním, kde dochází ke zmenšení lineárních rozměrů odlitku. Objemové smrštění v pevném stavu nemá téměř vliv na velikost staţeniny. Celkové smrštění odlitku odpovídá součtu smrštění

(41)

40

jednotlivých etap. V tab. 2-4 jsou uvedeny hodnoty objemového a lineárního smršťování pro slitiny mědi. [12]

V následující kapitole 2.5 jsou uvedeny veškeré vztahy pro určení smrštění slitin mědi.

Tab. 2-4 Přehled hodnot smršťování slitin mědi

Slitina

Objemové smrštění v tekutém

stavu εVL

[%]

Objemové smrštění při tuhnutí

εVK [%]

Součinitel objemovéh o smrštěni

β [%]

Lineární smrštění odlitku [%]

Písková forma

Kovová forma Slitiny mědi 1,9 3 aţ 5 3 aţ 7 1,2 aţ 2,1 1,4 aţ 2,3

2.5 Struktura numerických simulačních programů

Struktura jednotlivých simulačních programů je podobná, v podstatě jde o uspořádání modulů tak, aby mohl proběhnout potřebný simulační výpočet.

První modul je určen k vytvoření nebo načtení geometrie tzv. preprocessing.

Hlavní výpočtový modul se označuje meinprocessing, který provádí vlastní simulační výpočet a na něj je vázán modul, tzv. postprocessin, který zobrazuje výsledky simulačního výpočtu. Součástí kaţdého simulačního software je databáze, coţ je přehled tepelně-fyzikálních veličin pouţívaných materiálů odlitků i forem.

Databáze nejnovějších simulačních programů obsahují hodnoty alespoň některých fyzikálních veličin v závislosti na teplotě (tepelnou vodivost, měrnou tepelnou kapacitu, hustotu, součinitel přestupu tepla). Téměř u všech simulačních programů je moţnost databanku obohacovat o hodnoty vlastních materiálů a také s nimi počítat. [15]

2.5.1 Charakteristika simulačního programu MAGMA

5

Magma5 je komplexní modulární simulační program (vyvinutý pracovníky Technické univerzity Aachen ve spolupráci s německou firmou Magma GmbH Aachen). Skládá se z jednotlivých výpočetních modulů, je určen pro výpočet tuhnutí odlitků se zahrnutím plnění slévárenské formy. Je to jeden z nejrozsáhlejších

References

Related documents

Téma Perioperační zátěž z pohledu všeobecné sestry jsem si vybrala, protože je mi velice blízká profese anesteziologické sestry. Při každodenním pohybu na

Příprava na jakoukoliv vyučovací hodinu na základní škole, není v dnešní době nijak určující, není nikde předložena a určena, tedy pro učitele není povinná. Pro

Pokud upadá do bezvědomí, uložíme ho do stabilizované polohy a provádíme protišoková opatření (5T). Pokud je to nevyhnutelné a stav postiženého se nelepší,

Při výběru je pro nevěsty velmi důležitý střih, celkový vzhled a lesk šatů, proto je dnes na trhu řada nabídek, jak by ideální svatební šaty mohly vypadat.. Na

Z jejich zkušeností, nabytých při práci s dětmi předškolního věku, se i v hasičském kroužku dá také velice dobře pozorovat emoční vývoj.. Projev emocí

Nejprve proběhne malé školení o práci s digitální kamerou, které zajistí učitel přizváním odborníka. Žáci si při tomto výkladu a ukázce zkusí udělat

Vyhodnocením výsledků odpovědí na otázku č. Zastoupení výchovně vzdělávacích metod bylo shrnuto v následující tabulce č.. 2 souhrnně znázorňuje výchovně

Cílem bakalářské práce bylo zjistit informovanost pacientů s chronickou ránou ošetřovaných agenturou domácí péče, o převazech, krycích materiálech a informovanost