Tabulka 2-2 Změny objemu při krystalizaci vybraných kovů

1.

Součastný rozvoj průmyslu vyžaduje i zvyšování kvality výrobků, což se týká všech odvětví, nevyjímaje ani slévárenství. I zde se zaměřujeme na takové technologie, které přispívají k výrobě odlitků v požadované kvalitě tvarů, rozměrů i mechanických vlastností.

Důležitým kritériem je také rychlost reakce na poměry na trhu a tím i snižování nákladů na výrobu.

V oblasti slévárenství se zaměřujeme na úsporu použitých slévárenských slitin, s čímž také úzce souvisí nálitkování odlitků, které se provádí v důsledku stahování slitin při jejich tuhnutí. Stahování slitin je důležitým faktorem pří lití ze slitin neželezných kovů, především nejčastěji dnes používaných slitin hliníku, silumínů. Tyto slitiny mají dnes velké použití v automobilovém průmyslu, např. při gravitačním odlévání hlav spalovacích motorů do kovových forem (kokil).

Rozměrové změny materiálu při tuhnutí a chladnutí odlitků, v rámci gravitačního lití do kovové formy, přispívají ke vzniku vzduchové vrstvy a spolu s nátěrem kovové formy výrazně ovlivňují součinitel prostupu tepla mezi odlitkem a slévárenskou formou.

V tomto směru je v současné době prováděn výzkum v rámci řešení grantových úkolů na Katedře strojírenské technologie, oddělení strojírenská metalurgie, který se týká procesů při tuhnutí slitin hliníku. V tomto smyslu je vedeno i řešení mé bakalářské práce, která je na téma : Sledování dilatačních změn při tuhnutí a chladnutí odlitků ze slitin hliníku.

2. OBECNÉ VLASTNOSTI HLINÍKU A JEHO SLITIN

Hliník se v dnešní době používá v celé řadě průmyslových odvětví. Většinou ne čistý, ale používají se jeho slitiny. Ve velkém se výrobků z hliníku začlo používat především po překonání problémů jeho výroby. Problematická výroba je dána především jeho přítomností s kyslíkem. Hliník se nachází v periodické soustavě prvků mezi hořčíkem a křemíkem. Počet valenčních elektronů je 3, což je rozhodující pro jeho fyzikální a chemické vlastnosti. Teplota tání čistého hliníku je 658˚C a jeho hustota je 2698,9kg.m^-3 (při 20˚C). Čistý hliník krystalizuje v krychlové prostorově středěné mřížce s těsným uspořádáním. Tato soustava má ve třech na sebe kolmých směrech stejnou tepelnou roztažnost. Objemový součinitel roztažnosti kovů je roven přibližně trojnásobku lineárního součinitele tepelné roztažnosti, který je závislý na teplotě. Čistý hliník je výborným vodičem elektrického proudu jeho průměrná hodnota je 36,2 m.Ω.mm^-2, ale přidáním legujících prvků, tepelným zpracováním, nebo působením tváření vodivost klesá. Poměr mezi elektrickou a tepelnou vodivostí je přibližně stejný. Z toho vyplívá, že kovy s dobrou elektrickou vodivostí mají i dobrou tepelnou vodivost, což platí také pro hliník. Na tepelnou podobně jako na elektrickou vodivost mají vliv především teplota, přítomnost cizích atomů a tedy i struktura. Tepelná vodivost čistého hliníku je 234 W.m.K (při 20˚C). Tepelná vodivost klesá jsou – li v základním kovu obsaženy atomy prvku, které vytvářejí se základním kovem tuhý roztok.

2.1 Slitiny typu Al – Si

Binární slitiny na bázi Al - Si se označují siluminy. Jejich rovnovážný diagram je na obr. 2-1, podle něhož se siluminy dělí na podeutektické, obr. 2-2, eutektické a nadeutektické, viz obr. 2-3. Mezi podeutektické patří slitiny s obsahem křemíku 4,5% až do 10%, mezi eutektické se řadí slitiny s obsahem křemíku 10 až 13% a nadeutektické slitiny mají obsah křemíku větší než 13%.

Obr. 2-1 Rovnovážný binární diagram s omezenou rozpustností v tuhém stavu (soustava Al-Si) MICHNA [7]

Nejvýhodnější pro slévá-renské účely jsou siluminy eutektického složení nebo mírně podeutektického složení. Tyto slitiny se používají pro lití do písku, kovových forem, pro lití pod tlakem i pro přesné lití. Slitiny Al-Si s malou pří-sadou hořčíku (0,2-0,7%) jsou slitiny vytvrditelné. Zlepšení mechanických vlastností lze dosáhnout např. zmenšením velikosti zrna primární, či sekun-dární krystalizace nebo omezením vlivu nerovnovážných fází na bázi Fe.

Mezi nejvýznamnější metalurgické ovlivnění primární krystalizace podeutektických slitin Al-Si patří očkování titanem, bórem a u nadeutektických slitin očkování fosforem. Sekundární krystalizace křemíku se ovlivňuje modifikací taveniny sodíkem nebo stronciem. Strukturu modifikované slitiny můžeme vidět na obr. 2-4. Slitiny Al-Si-Cu mají snížený obsah křemíku, přísada mědi bývá maximálně 5%. Tyto slitiny mají malou pohltivost plynů, lijí se většinou pod tlakem a jsou kompaktní. Vlivem přítomnosti mědi a sekundární fáze Al2Cu mají tyto slitiny sníženou odolnost proti korozi. V tabulce 2-1 je uveden přehled základní druhů typů slitin hliníku.

Obr. 2-2 Podeutektické silumíny, PIŽL [5]

Obr. 2-3 Eutektické silumíny, PIŽL [5]

Obr. 2-3 Modifikované silumíny, PIŽL [5]

Tab. 2-1 Přehled základních druhů slitin hliníku, PIŽL [5]

Slitiny druhy Slitiny Druhy

Al-Cu AlCu4MgTi AlSi10Mg AlSi10Mg(a)

AlCu4Ti AlSi10Mg(b)

AlSi10Mg(Cu)

Al-Si AlSi11 AlSi9Mg

AlSi12(a) AlSi10Mg(Fe)

AlSi12b) AlSi12(Fe) AlSi9

AlSi7Mg AlSi7Mg AlSi5Cu AlSi6Cu4

AlSi7Mg0,3 AlSi5Cu3Mg

AlSi7Mg0,6 AlSi5Cu3Mn

AlSi5Cu1Mg

AlSI5Cu3

AlSi9Cu AlSi9Cu3(Fe) Al-Mg AlMg3(b)

AlSi11Cu2(Fe) AlMg3a)

AlSi8Cu3 AlMg9

AlSi7Cu3Mg AlMg5

AlSi9Cu3Cu1Mg AlMg5(Si)

AlSi7Cu2

Al-Zn AlZn5Mg

2.2. Charakteristika uspořádání tavenin

Strukturu tavenin je možné si představit jako soustavu atomů kovů, naopak atomy materiálu v tuhém stavu kmitají v malých rozkmitech kolem svých rovnovážných poloh. Podle starších teorií se tento rozkmit s rostoucí teplotou zvětšuje, až za určité teploty překročí mřížkové vzdálenosti, které jsou dané vazebními silami. Tím dochází k rozpadu mřížky a k úplnému porušení předcházející pravidelnosti v uspořádání atomů, resp. iontů. Podle novějších teorií při tavení nastává zvětšování objemu, které je spojené se zvětšováním vzdálenosti mezi atomy a dochází k neustálému lokálnímu přerušování pravidelného uspořádání atomů – iontů.

Například podle uznávaných teorií (Frenkel, Ryžikov) nastává při tavení vzdalování jednotlivých atomů, resp. iontů od svých sousedních atomů, čímž s nimi ztrácí vazbu v jednom směru, ale zachovává se vazba s jinými v jiných směrech. Vzdalování atomů v jednom směru skokem vytváří vakantní místa (díry, resp. mezery) v tavenině, což je spojené se zvětšováním objemu v tavenině. Vakantní místa neustále vznikají a zanikají na jiných místech taveniny.

Když je objem jednoho vakantního místa vo a počet vakantních míst N1 je okamžité zvětšení objemu taveniny V dané vztahem :

V = V – Vo = vo N1 , (2.1)

kde značí: V – nový objem taveniny s vakantními místy;

Vo– původní objem taveniny.

Počet vakantních míst je v každém okamžiku závislý na teplotě podle vztahu:

N1 = N  e^{-U / KT} , (2.2) kde značí: N – počet atomů, resp. kladných iontů v objemu taveniny,

U – vnitřní energii potřebnou ke vzniku vakantního místa  J , K – Boltzmanovu konstantu  J  K^-1,

T – absolutní teplotu  K .

Když předpokládáme, že vakantní místa jsou přibližně stejné velikosti, potom i práce potřebná na jejich vytvoření bude stejně velká. Vnitřní energie potřebná na vytvoření vakantního místa při skutečném vnějším tlaku p je daná vztahem:

U = Uo + p  vo , (2.3)

kde značí: Uo– vnitřní energii potřebnou na vytvoření vakantního místa nezávisle na skutečném vnějším tlaku  J 

Dosazení rovnice 2.1 a 2.2 do rovnice 2.3 dostaneme celkovou závislost přírůstku objemu taveniny od teploty a tlaku:

V = V – Vo = N  vo e  exp(( Uo + p  Vo ) / ( K  T ) . (2.4) Kde značí: V – přírůstek objemu taveniny

Uvedený vztah je z hlediska děrové teorie struktury taveniny podle Frankela, Ryžikova stavovou rovnicí taveniny, která dává do souvislosti objem, teplotu a tlak.

Předložená teorie se dá vysvětlit podle obr. 2-5 a 2-6. Průběh natavování kovu tj. tvoření vakantních míst vysvětluje Ryžikov. Když jsou meziatomové vzdálenosti malé, má střední atom v řadě třech sledovaných atomů minimalní potenciální energii vzhledem k oběma krajním a atomům. Zvyšování teploty způsobuje zvětšování střední meziatomové vzdálenosti a zvyšování potencionální energie středního atomu vzhledem k oběma krajním, viz obr. 2-5.

Střední atom ve snaze po rovnovážném stavu se potom přiblíží buď k jednomu nebo druhému krajnímu atomu, přičemž na druhé straně vznikne vakantní místo (obr. 2-6).

obr. 2-5 Schéma vlivu teploty na

vzdálenosti látky. BECHNÝ [6]

díra

díra

Podle Frankela je tavení určité stádium teplotního rozpínání kovů. S rostoucí teplotou se zvětšuje pohyblivost atomů, klesá pravidelnost krystalové mřížky a roste počet vakancí.

Kritická koncentrace vakancí se dosahuje právě při teplotě tavení. V tuhé fázi v blízkosti teploty tavení připadá jedna vakance na 10³ až 10⁶ atomů. Tyto vakance se spojují, a tak vytvářejí větší mezery, které umožňují pohyb celých zhluků atomů, což se projevuje tekutostí kapalné fáze. Čím je větší počet vakancí, tím větší je tekutost. Tavenina je izotropní fáze ( má stejné fyzikální vlastnosti ve všech směrech ), má přibližně stálou vzdálenost atomů, resp.

kladných iontů, ale nemá stálou polohu atomů. Meziatomové síly podmiňující jejich soudržnost, za vysokých teplot blížících se k bodu varu slitiny, velmi klesají. Jelikož atomy v plynné fázi jsou rozloženy naprosto neuspořádaně, tak tavenina se ve slévárenské praxi víc podobá tuhé jak plynné fázi.

2.3. Fyzikální popis smršťování materiálu

Kovy v tuhém stavu (za normálních okolností) jsou vždy krystalické, jejich atomy jsou uspořádané v určitém systému krystalické mřížky. Pro snadnější vysvětlení jak se vytvářejí struktury je důležité zkoumat vlastnosti taveniny a tuhé fáze (jejich struktur), protože jsou zodpovědné za změny, které se konají v průběhu tuhnutí.

Tuhá fáze má konečný tvar, objem a určitou hodnotu mechanické pevnosti, mez kluzu, tvrdost apod. Také tavenina se vyznačuje konečným objemem, avšak díky své tekutosti může zaplňovat dutinu formy. Základní rozdíl mezi tekutou a tuhou fází je tedy v tekutosti a schopnosti přenášet tečná napětí (viskozitě). Jestliže se vyjádří tekutost v závislosti na viskozitě, tak rozdíl ve viskozitách uvedených fází je větší než 10²⁰ krát větší.

2.4. Rozdíly tekuté a tuhé fáze kovů a fyzikální podstata smršťování materiálu

Vlastnosti, které závisí na vzdálenosti mezi atomy, vykazují malé změny v průběhu tuhnutí, resp. krystalizace. Například hustota, která závisí na meziatomové vzdálenosti se nemění tak progresivně jako tekutost nebo teplotní vodivost. Vlastnosti, které závisí na uspořádání, resp. poloze atomů, se podstatně mění v průběhu tuhnutí, například tekutost , dynamická viskozita , kinematická viskozita  apod. K vlastnostem, jejichž změna závisí v první řadě na vzdálenosti mezi atomy patří hustota, měrná tepelná kapacita c, skupenské teplo tání L, tepelná vodivost, elektrická vodivost G. Se změnou hustoty tekuté a tuhé fáze souvisí

objemové stahování tekuté fáze εV(L), smršťování tuhé fáze v průběhu krystalizace εV(K) a objemové smršťování tuhé fáze εV(S) . Objemové či lineární smršťování je analogické s objemovou či lineární roztažností α tuhé fáze. Objemové stahování – změna objemu v průběhu krystalizace, je pro většinu kovů menší než 6 %, z čehož analogicky vyplývá i změna hustoty v průběhu krystalizace. V tabulce 2-1 jsou uvedeny změny objemu v průběhu krystalizace některých kovů.

Tabulka 2-2 Změny objemu při krystalizaci vybraných kovů

KOV ε

( % ) KOV ε

( % )

Hliník 6,0 Železo 3,0

Zlato 5,1 Cín 2,3

Zinek 4,2 Antimon - 0,95

Měď 4,15 Gálium - 3,2

Hořčík 4,1 Bizmut -3,35

Kadmium 4,0 Germánium - 5,0

2.5. Smršťování kovů při přechodu z kapalné do tuhé fáze

Při tuhnutí a chladnutí odlitků probíhají různé jevy, které přispívají ke změnám rozměrů a objemu odlitku. Mezi tyto změny patří smršťování, které se ve slévárenství označuje jako stahování, jež mění výsledné rozměry odlitku a vyvolává podmínky k tvorbě vnitřních dutin odlitku (staženin).

Smršťování je obrazem objemových změn tekuté a tuhé fáze odlévaného kovu (slitiny kovů) s klesající teplotou i objemovými změnami při fázových přeměnách. Projevem jsou charakteristické změny v odlitku, při němž se jeho celkové rozměry zmenší, popřípadě vytváří staženina a dochází k vnitřnímu pnutí. Dochází – li ke změnám objemu, jedná se o objemové smrštění. Objemové smrštění nazýváme také stahování, vytváří v odlitku soustředěné staženiny, řediny a mikropórovitost. Smršťování, které se vztahuje k délkovým změnám rozměrů odlitku se nazývá smršťování lineární. K lineárnímu smršťování dochází v tuhém stavu, při chladnutí odlitku a je příčinou zmenšení odlitku vůči modelu.

Celý proces tuhnutí a chladnutí odlitku lze rozdělit do tří etap :

1. v(L)– smršťování v tekutém stavu ( Tlití– Ts )

2. v(K)– smršťování při krystalizaci ( v intervalu teplot tuhnutí ), ( TL– TS ) - stahováni

3. v(S)– smršťování v tuhém stavu ( TL– Tok ) – lineární smršťování

Z reálných slitin jsou důležité objemové změny litiny, objemové změny oceli a hliníkových slitin. Grafitické litiny, především LLG – vykazují malou změnu objemu v tekutém stavu i při tuhnutí. To je způsobeno vlivem grafitizace, která se projevuje zvětšováním objemu.

Grafitizace probíhá při eutektické přeměně a říkáme, že nastalo tzv. předsmršťovací roztažení.

Na obr. 2-7 je uvedena část rovnovážného diagramu s vyznačením oblastí smršťování.

Obr. 2-7 Schéma oblastí smršťování, BECHNÝ [6]

2.5.1. Smršťování v tekutém stavu

Bezprostředně po odlití taveniny do slévárenské formy dochází k odvodu tepla přehřátí kovu do formy. Současně však vzniká smrštění taveniny, které končí až jejím tuhnutím.

Objemové smrštění v tekutém stavu lze stanovit :

v(L) = v(L) ( Tlití– TS ) , (2.5)

kde značí: v(L)- součinitel objemového smrštění v tekutém stavu;

Tlití– teplotu lití;

TS– teplotu solidu.

Smršťování v tekutém stavu je spojeno s poklesem hladiny taveniny. Míra smrštění je tím větší, čím více je tavenina přehřátá, tj. čím vyšší je licí teplota.

2.5.2. Smršťování při krystalizaci ( stahování )

Nastává mezi teplotou solidu a likvidu. S poklesem teploty přibývá tuhá fáze na úkor taveniny. Objemové smrštění při krystalizaci lze stanovit :

v(K) = v(K) ( TS– TL) , (2.6)

kde značí: v(K)- součinitel objemového smrštění v intervalu teplot;

TL– teplota likvidu.

Stahování je zmenšování objemu při krystalizaci, dochází ke smršťování ještě kapalné fáze a ke smršťování již ztuhlé fáze. Projevem je vznik staženiny. Její objem stanovíme:

Vst =  ( VO + VN ) , (2.7)

kde značí:  - součinitel stahování VO– objem odlitku VN– objem nálitku

Objem staženiny je dán objemem soustředěné staženiny i mikrostaženiny:

Vst = VS st + Vm st (2.8)

2.5.3. Smršťování v tuhém stavu

Smršťování v tuhém stavu se projevuje hlavně lineárním ( délkovým ) smrštěním lin– dochází ke změně lineárních rozměrů odlitku, které lze stanovit ze vztahu:

lin = [ ( l1– l2 ) / l1 ] . 100 , (2.9)

kde značí: l1– rozměr odlitku při teplotě solidu;

l2– rozměr ochlazovaného odlitku .

Objemové smrštění lze stanovit:

V(S) = 3 lin (2.10)

Objemové smrštění v pevném stavu nemá prakticky vliv na velikost staženiny.

V(S) = V(S) ( TL– TO) (2.11)

kde značí: V(S) – součinitel objemového smrštění v tuhém stavu;

TO– teplotu okolí.

Celkové smrštění V(c) odpovídá součtu jednotlivých etap smrštění:

V(C) = V(L) + V(K) + V(S) = [ ( VL– VO ) / VO ] . 100 , (2.12)

kde značí: VL– objem odlévaného kovu při teplotě lití;

VO– objem ztuhlého odlitku při teplotě TO.

Na obr. 2-8 je uvedeno schéma jednotlivých etap smršťování.

Obr. 2-8 Schéma etap smršťování, BECHNÝ [6]

3. TVORBA STAŽENINY KOVŮ A JEJICH SLITIN

Výsledkem objemových změn při tuhnutí kovu je staženina, která se projevuje nerovnoměrným poklesem hladiny. Čím jsou částice kovu blíže tepelné ose odlitku, tím hlouběji klesne hladina při tuhnutí. Celková změna objemu kovu při tuhnutí ( Vst ) se projeví objemem soustředěné staženiny (VS st) a součtem objemů mikrostaženin (Vm st). Čím větší bude soustředěná staženina, tím menší podíl objemu připadne na řediny, resp. mikrostaženiny v odlitku a opačně.

Výskyt mikrostaženin je závislý na šíři dvoufázového pásma tuhnutí, proto slitiny s velkým intervalem teplot tuhnutí vykazují velké množství mikrostaženin. Naopak slitiny, které tuhnou při jedné teplotě vykazují soustředěnou staženinu. Soustředěné staženiny mohou být vnější a vnitřní.

3.1. Nálitkování odlitků

V souvislosti se změnami při tuhnutí mezi teplotou solidu a likvidu dochází k úbytku objemu. Tento úbytek je nutno při tuhnutí odlitků eliminovat. Zabránit tak vzniku staženin a mikrostaženin v odlitku, resp. zařídit smrštění tuhnoucí taveniny mimo odlitek. Tento způsob nám umožňuje nálitkování odlitku.

Nálitek představuje technologický prvek ve slévárenské formě (v podstatě zásobník), kde se soustřeďuje tavenina, která zabezpečuje dosazování tekutého kovu do tuhnoucího odlitku a očekávaná staženina se přesune mimo ztuhlý odlitek, tj. do nálitku, který ztuhne až po ztuhnutí odlitku. Kromě vzniku soustředěné staženiny dojde i k oslabení vzniku rozptýlených pórů odlitku, které se soustředí též v nálitku spolu s dalšími nečistotami, jež vyplouvají z tekutého kovu během tuhnutí odlitku. Nálitky rozdělujeme podle různých kritérií, např. podle :

a) vůči atmosféře – otevřené (atmosférické) a uzavřené ( podtlakové, atmosférické, přetlakové) b) podle umístění vůči vtokové soustavě – přilehlé a odlehlé

Správná funkce nálitku se hodnotí podle následujících kritérií:

a) kritérium zralosti odlitku – udává správnou funkci nálitku a je závislé na výšce nálitku (HN) a hloubce makrostaženiny v nálitku (HS st ). Toto kritérium při správné funkci nálitku má být HS st / HN  0,8; je – li HS st / HN  1, pak makrostaženina zasáhne do odlitku. Pokud kritérium zralosti je 0,95, pak nálitek funguje na hranici použitelnosti.

b) Součinitel nehospodárnosti nálitku ( x ) – je odvozen z poměrů staženiny a nálitku VN / Vst

= x. V případě ideálně fungujícího nálitku Vst = VN , pak x = 1.

Dutiny formy, které vymezují objem pro nálitek lze vyrobit :

a) ze stejného formovacího formovacího materiálu jako dutinu formy ( nálitky neošetřené ), x

= 5,5 až 12;

b) z izolačního obkladového materiálu x = 4 až 5,5;

c) z exotermického obkladového materiálu x = 4;

U izolačních a exotermických nálitků neplatí běžné zásady nálitkování.

3.2. Principy navrhování nálitků a funkce nálitků

Pokud předpokládáme nálitky, jejichž dutina je vyrobena ze stejného formovacího materiálu, jako je materiál dutiny formy, pak je nutno při navrhování nálitku uvažovat tyto náležitosti:

1. Metoda vepsaných koulí ( nejstarší ) – průřezy v soustavě odlitek – nálitek se musí směrem vzhůru stále rozšiřovat. Vyšším průřezem musí alespoň projít koule vepsaná do průřezu ležícího níže. Na obr. 3-2 je uvedeno schéma vepsaných koulí v soustavě odlitek – nálitek.

Obr. 3-2 Metoda vepsaných koulí, BECHNÝ [6]

Doba tuhnutí odlitku musí být menší než doba tuhnutí nálitku. Tato podmínka je zplněna, když je větší modul nálitku než modul odlitku.

2. Metoda CAINEHO – je založena na době tuhnutí odlitku a nálitku. Doba tuhnutí

ttuh N > ttuh O (3.1)

ttuh = M² / k² (3.2)

( MN2 / kN2 ) > ( MO2 / kO2 ) (3.3)

kde značí: M – modul;

k - konstantu tuhnutí ttuh N– čas tuhnutí nálitku ttuh O– čas tuhnutí odlitku

U neošetřených nálitků, kde formujeme do běžné formovací směsi je kN = kO, pak MN = MO. Tuto podmínku respektuje pravidlo vepsaných koulí. Změní – li se konstanta tuhnutí kN např. použitím izolačního obkladu nálitku, exotermického obkladu nálitku, pak MN < MO, a pak neplatí již zásada vepsaných koulí. Pracujeme však s podstatně menším objemem nálitku.

Neustále však platí podmínka tN > tO.

3. Metoda podle PŘIBYLA – existuje celá řada výpočtů velikosti nálitků, velmi výhodná je metoda českého slévárenského odborníka prof. Přibyla. Vychází z těchto předpokladů:

Vst=  ( VO + VN ) (3.4)

VN / Vst = x ( stupeň nehospodárnosti nálitku ), pak lze psát: (3.5)

VN = VO (( x .  ) / ( 1 – x .  )) (3.6) ze stanoveného objemu nálitku lze určit  nálitku d.

d = A . ( mO . x .  ) / (  . ( 1 – x .  ))^{1 / 3} (3.7)

kde značí :  - smrštění taveniny při změně teplot, od teploty lití do teploty tuhnutí mO– hmotnost odlitku

 - hustotu taveniny při teplotě solidu x – součinitele nehospodárnosti nálitku

A – součinitel závislého na poměru výšky nálitku / průměru nálitku (h/d)

Pro h = 1,1 d je A = 1,11, h = 1,2 d je A = 1,07, h = 1,3 d je A = 1,04

4. ČINITELÉ OVLIVŇUJÍCÍ TUHNUTÍ A SMRŠTĚNÍ ODLITKŮ

a) Vliv formy ( jádro ) - forma působí na hodnotu smrštění odlitku dvěma vlivy:

ochlazujícím účinkem

mechanickým odporem proti smrštění odlitku.

Čím déle tuhne a pomaleji chladne ocelový odlitek, tím větší je jeho lineární smrštění (při odlévání odlitku do formy s nižší hodnotou součinitele tepelné akumulace bf a také při větší tloušťce ocelového odlitku – tlustší stěny smrští více než tenké, také proto, že snadněji překonávají mechanický odpor formy.

U odlitku z litiny je tomu naopak, čím déle tuhne a v počáteční fázi chladne, tím dokonaleji proběhne grafitizace, zvětšení rozměru (předsmršťovací roztažení) je velké a celkové smrštění odlitku je menší.

Smrštění odlitku může být buď volné nebo bržděné. Volné smrštění nastává v případě, kdy odlitku není bráněno vnějšími silami v jeho smršťování, tzn. třecí plochy odlitek – forma jsou malé, forma – jádro jsou poddajné, tvar odlitku umožňuje volné smrštění (obr. 4-1 a), které dosáhne téměř fyzikální hodnoty smrštění.

Bržděné smrštění vzniká v případě, je – li odlitku jakýmkoli způsobem bráněno v jeho smršťování (viz. obr. 4-1 b).

Máme – li ocelový odlitek tvaru tyče a délky 1000 mm, naměříme pro oba druhy smrštění různé délky tyče po odlití a následném ztuhnutí a zchladnutí.

Obr. 4-1 Schéma volného; bržděného smrštění, BECHNÝ [6]

Samozřejmě velikost tohoto smrštění závisí na síle odporu, čili na velikosti opěrných ploch přírub, poddajnosti formy atd. Bržděné smrštění vyvolává v odlitku tahová pnutí, označovaná jako smršťovací nebo také slévárenská pnutí. Způsobují povrchové ( vnější ) trhlin v odlitku.

b) Vliv konstrukce odlitku - většina konstrukčních uspořádání odlitků vyvolává mechanický nebo tepelný odpor proti smršťování odlitku, popřípadě jejich kombinaci. Tepelný odpor nastává u odlitků s rozdílnou tloušťkou stěny. Čím tlustší stěna ocelového odlitku, tím větší hodnota smrštění, neboť odlitek snadněji překoná odpor formy a silněji prohřeje formu.

c) Vliv formování a poloha odlitku ve formě - kvalita modelu je velice důležitý faktor, neboť dřevěné modely mají horší povrch než kovové, musí se více „rozklepat“ při vyjímání. Forma je tím „větší“ a konečné smrštění „menší“, protože odlitek je větší. Strojní formování s vibrací při vyjímání modelu zajišťují přesnější a povrchově kvalitnější odlitky než při ručním formování (větší „rozklepání“ ve formě, nerovnoměrná velikost formy atd.).

Ve svislé poloze odlévání je odlitek vždy kratší o hodnotu poklesu hladiny v tekutém stavu a širší, než v poloze vodorovné.

4.1.Důsledky lineárního smrštění odlitku

Z výše uvedeného je zřejmé, že smrštění odlitku neodpovídá fyzikální hodnotě smrštění kovu, z něhož je odlitek vyroben. Je to spíše technologická hodnota, ovlivněná řadou technologických činitelů. Proto také je smrštění odlitku označováno jako slévárenská vlastnost.

O tuto hodnotu musí být delší (větší) model (forma). Důsledky lineárního smrštění jsou:

a) Lineární smrštění dané slitiny související s konstrukcí odlitku, druhem formovací směsi a způsobem formování – určují rozdíl, o který musí být model větší vůči výkresovým rozměrům odlitku.

b) Lineární smrštění bržděné – vyvolává v odlitku smršťovací napětí a z toho vzniklé trhliny v tepelných centrech odlitku (v místě vysokého prohřátí hrany formy, jádra, v mezeře mezi vnějšími chladítky, v místě nevhodného zaústění zářezů, v místě spojů stěn vyztuženého žebra apod.).

c) Nerovnoměrné lineární smrštění vzniklé v důsledku rozdílné rychlosti chladnutí vrstev stěny odlitku nebo jeho jednotlivých částí (při existenci teplotních gradientů) je příčinou teplotních pnutí v odlitku při jeho přechodu do pružných deformací materiálu.

V tabulce 2-2 jsou uvedeny hodnoty lineárního smrštění vybraných slévárenských slitin.

Tabulka 4-1 Hodnoty lineárního smrštění, PIŽL[5]

SLITINA

LLG 0,6 – 1,0 %

Bílá litina 1,5 – 1,8 %

LKG 1,6 – 1,8 %

LLG očkovaná 1,0 – 1,25 %

Uhlíková ocel 1,6 – 2,0 %

Manganová ocel 2,0 – 2,4 %

Austenitická ocel 2,5 – 2,75 %

Mosaz 1,4 – 1,6 %

Bronz 1,4 – 1,6 %

Slitiny hliníku 1,3 – 1,5 %

5. ZKOUŠENÍ A HODNOCENÍ SLÉLÁRENSKÝCH VLASTNOSTÍ SLITIN

Slévárenské vlastnosti kovů a slitin vymezují možnosti jejich použití k výrobě odlitků.

Bez jejich znalostí se neobejdeme. Mechanické vlastnosti slitin na odlitky udávají normy.

Slévárenské vlastnosti do norem pojmout nelze, protože je určuje celá řada technologických vlastností (licí teplota, složení slitiny, kvalita formy, použité suroviny, atd.), které výrobce odlitku může, popřípadě nemůže ovlivnit. Specifické podmínky tavení slitin a výroby odlitků proto vyžadují, aby si každá slévárna slévárenské vlastnosti zjišťovala sama.

Metodika zkoušení není normována ani sjednocena.

Aby bylo možno rozhodnout o zhotovení modelu, použité slévárenské technologii o metalurgii tekutého kovu, je žádoucí zjistit šest základních slévárenských vlastností slitin:

1) zabíhavost slitiny

2) sklon slitiny ke ztaženinám a ředinám 3) lineární smrštění slitiny

4) sklon slitiny k praskání

5) sklon slitiny k zákalce (u litin)

6) sklon slitiny k tvorbě zavalenin (u ocelí)

5.1. Zkoušení a hodnocení zabíhavosti slitin

Pro zkoušení zabíhavosti je v praxi používána celá řada zkoušek, které vycházejí z hodnocení délky zaběhnutí tyček o různém průřezu, nebo spirály o konstantním průřezu.

Výsledky u různých slitin se dají porovnávat poze za předpokladu, že materiál formy a teplota slitiny jsou u všech zkoušek shodné. Pro vlastní zkoušky se nejčastěji používá Curryho spirála podle obr.5-1. Materiál se odlévá syntetické formovací směsi na syrovo přes cedítko zhotovené z pískové formovací hmoty pojené olejem nebo pryskyřicí a sušené při 200°C po dobu 1 hodiny. Zkušební forma musí být rovnoměrně upěchována. Zkouška zybíhavosti musí být odlita nejpozději dvě hodiny po složení formy a při lití je nutné zjistit přesnou licí teplotu.

Zabíhavost slitiny se vyjadřuje obvykle zlomkem, v jehož jmenovateli je celková délka odlité spirály (mm) a v čitateli délka spirály, kde kov zcela vyplnil průřez kanálku (mm).

Obr. 5-1 Schéma Curyho spirály zkoušky zabíravosti, BECHNÝ [6]

5.2. Zkoušení a hodnocení sklonu slitiny k staženinám a ředinám

Podle ČSN je staženina definována jako otevřená, nebo uzavřená dutina s drsným nebo hrubě krystalickým, často oxidovaným povrchem. Ředina je místní nahromadění drobných

staženin. Staženiny (řediny) jsou důsledkem objemových změn provázejících chladnutí a tuhnutí slitiny ve formě, na jejichž velikosti se význačnou měrou může podílet i kvalita formy (zejména u grafitických litin). Existuje několik způsobů zkoušek stahování slitin, mezi které se řadí:

1) Zkouška podle Wittmosera 2) Zkouška podle Czikela 3) Zkouška podle Bradka

Tvary dutin forem pro zkušební tělesa výše uvedených zkoušek jsou na obr. 5-2, obr. 5-3, obr. 5-4

Obr.5-2 Zkušební těleso dle Wittmosera, BECHNÝ [6]

Obr. 5-3 Zkušební těleso dle Czikela, BECHNÝ [6]

Obr. 5-6 Zkušební těleso dle Bradíka, BECHNÝ [6]

Postup pro vyhodnocení takto provedených zkoušek je následující:

1. pečlivě očištěné a v místě vtoku zabroušené zkušební těleso se zváží (s přesností na 0,1g) čímž zjistíme hmotnost m1

2. objem otevřené staženiny (Vst) zjišťujeme měřením objemu petrojeje, který je potřeba k jejímu zaplnění,

3. po vylití petroleje se otevřená staženina utěsní sklenářským tmelem a odlitek se se stejnou přesností zváží na vzduchu, čímž zjistíme hmotnost m2

4. po zvážení na vzduchu zvážíme utěsněný odlitek na při teplotě 20°C v destilované vodě s nepatrným přídavkem smáčedla. Tím zjistíme měrnou hmotnost m3

5. měrnou hmotnost slitiny  zjišťujeme výpočtem z hmotnosti zkušebního válečku průměru 20 x 20 mm získaného obráběním nálitkovaného odlitku tyče a vycházíme z měření jeho hmotnosti vážením na vzduchu a v destilované vodě.

Z takto stanovených a vypočtených veličin lze zjistit:

1. Objem zkušebního tělesa V = (m2– m3) /  (5.1)

2. Ideální objem tělesa Vid = m1 /  (5.2)

3. Celkový objem nehomogenit (ředin, staženin a bublin) Sr = V - Vid (5.3)

4. Objem ředin a bublin Vr = Sr- Vst (5.4)

Celková poměrná nehomogenita lze vyjádřit vztahem:

N = Sr / Vid . 100 (5.5)

Podíl ředin na celkové nehomogenitě:

Ř = Vr / Sr . 100 (5.6.)

Obr. 5-7 Schéma formy odlitku dle Wittmosera, MICHNA [7]

Obr. 5-8 Zkušební odlitek, boční pohled [8] Obr. 5-9 Boční pohled na vnější

staženinu [8]

Obr. 5-9 Řez odlitkem, pohled na vnější staženinu, [8]

Obr.5-10 Horní pohled, [8]

Obr.5-10 Řez vnitřní staženinou, [8]

6. POPIS MĚŘÍCÍHO ZAŘÍZENÍ PRO SLEDOVÁNÍ DILATACÍ SLÉVÁRENSKÝCH SLITIN

Na katedře strojírenské technologie FS, TÚ v Liberci bylo navrženo a zkonstruováno měřící zařízení, jehož blokové schéma je uvedeno na obr. 6-1

Obr. 6-1 Schéma měření dilatací na vertikálně zaformovaném válcovém špalku. [8]

Měřící zařízení se skládá z měřícího rámu, kam se vkládá forma, registrační jednotky a počítače.

Obr. 6-3 Schéma zapojení měřícího zařízení, PIŽL [5]

Měřící rám je umístěn na otočných válečcích, které zajišťují vedení rámu v horizontálním směru vůči základové desce s otočnými válečky, ve které je umístěn kruhový kovový rám formy s vnitřním průměrem 100 mm a výškou 100 mm. V rámu je zaformován válec o průměru 60 mm a délky 70 mm. V polovině výšky odformovaného válce jsou zaformované dvě křemenné trubičky o průměru 5 mm, jejich osa protíná kolmo osu válce.

Trubičky přečnívají do vnitřního prostoru válce přibližně o 7 mm. Ve dně válce je umístěn termočlánek zasahující svým obaleným koncem mezi konce trubiček. Pohyblivý rám je složen z dvou ocelových ramen, na kterých jsou pomocí svěrného spoje upevněny křemenné trubice o průměru 10 mm, sloužící jako vedení pohyblivého rámu a zároveň jako spojovací článek obou ramen. Na prvním rameni je objímkou uchycena jedna z trubiček průměru 5 mm. Na druhém rameni ,těž pomocí objímky, je upevněn indukční snímač polohy o rozsahu 1,5 mm. Snímač je držen v nulové výchylce pružinou umístěnou uvnitř snímače. Pohyblivý dotyk snímače se opřen o vnější konec křemenné trubičky průměru 5mm. Měřící aparatura je znázorněna na obr.

6-4 až obr. 6-6.

Pro experimentální měření byla použita forma z CT směsi, vytvrzená CO.

Vnější průměr formy 105 mm, odlitek tvaru válce Ø 60 mm x 70 mm.

Obr. 6-4 Měřící aparatura (horní pohled) PIŽL [5]

Obr. 6-5 Měřící aparatura (boční pohled) PIŽL [5]

Obr. 6-6 Měřící aparatura PIŽL [5]

Dilatometr CRYSTALDIAGRAPH PC-4T2L - snímá pohyb křemenných trubiček na měřícím rámu a registruje vzniklé elektrické napětí na indukčním snímači a napětí vzniklé na teplém spoji termočlánku. Součástí dilatometru je i A/D převodníku. Tento převodník je schopen zaznamenávat hodnoty ze šesti čidel (4 pro teplotu - vstup 00 až 03, a 2 pro dilatace - vstup 04 a 05). Pro měření teploty byly použity termočlánky NiCr-Ni.

PC a programového vybavení - vzhledem ke střední hardwarové náročnosti programu použitého pro měření, byl použit starší počítač, jehož parametry jsou shrnuty v tab. 6.1.

K propojení A/D převodníku s PC byl použit standardní sériový port.

Tab.6-1 Přehled o použitém počítači

CPU HDD RAM Grafika

166 MHz 20 GB 32 MB 8 MB

Na obr. 6-7 jsou patrné hodnoty veličin, které lze získat vyhodnocením teplotní a dilatační křivky tuhnoucího odlitku. Z těchto příslušných křivek je možno sledovat tyto hodnoty: Lmin

- minimální hodnotu roztažnosti tuhnoucího odlitku; Lmax - maximální hodnotu roztažnosti tuhnoucího odlitku; LSOL - hodnotu roztažnosti odlitku v okamžiku tuhnutí; TLIKV- teplotu počátku tuhnutí odlévané slitiny; TSOL- teplotu konce tuhnutí odlévané slitiny; Tmax- teplotu slitiny při maximální roztažnosti; tmin - čas při dosažení minimální roztažnosti odlitku; tmax- čas při maximální roztažnosti odlitku; tLIKV - čas dosažení počátku krystalizace; tSOL - čas dosažení konce tuhnutí; TT max - maximální teplotu taveniny ve formě; tT max - čas odpovídající maximální teplotě ve formě; tT min- čas odpovídající minimální teplotě taveniny ve formě.

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

čas(s)

teplota (°C)

-0,2 -0,15 -0,1 -0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

dilatace (mm)

teplota dilatace L max

t max T max

t sol

L sol

T sol

L min t min

t likv

T likv

Obr. 6-7 Schéma odečtu významných bodů na křivkách teploty a dilatace, PIŽL [5]

6.1. Příprava slitin, odlévání a měření

Potřebné množství dané slitiny hliníku bylo zváženo a následně roztaveno v elektrické komorové peci. Roztavená slitina byla vyjmuta z pece a rafinována pomocí rafinační soli T3.

Do formy byla tavenina odlévána s přehřátím 50˚C oproti teplotě likvidu. Jakmile tavenina vyplnila dutinu formy, byl spuštěn program v PC. V okamžiku, kdy termočlánek ve formě naměřil 520˚C začal program zaznamenávat změny teplot a dilatací. Měření končí v okamžiku, kdy teplota odlitku měřená termočlánkem klesne na 450˚C.

Tyto změny jsou digitalizovány a po ukončení měření je vytvořena grafická závislost dilatace tuhnoucího odlitku a teploty v jeho tepelné ose na čase.

300 350 400 450 500 550 600 650 700

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

čas(s)

teplota (°C)

-0,1 -0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2

dilatace (mm)

teplota dilatace

Obr. 6 - 7 Časové závislosti dilatace a teploty při odlévání slitiny AlSi12 do formy z CT směsi pro výrobu odlitku  60 x 70 mm, PIŽL [5]

7. DISKUSE POZNATKŮ

Pokud se týká rešeršního rozpracování této problematiky je nutno konstatovat, že v literárních pramenech je popsána jen na technologické úrovni a empirických zkušenostech a téměř neexistuje literatura v oblasti fyzikální metalurgie, která by umožňovala přesný popis rozměrových změn tuhnoucích a chladnoucích odlitků. Rozměrové změny jsou uváděny na základě získaných výsledků na konkrétních odlitcích. Protože se taveniny kovů řadí z hlediska fyzikálně chemického mezi kapaliny u kterých je vysvětlena struktura, resp. uspořádání atomů různými teoriemi, pak na základě těchto teorií lze do jisté míry vysvětlit rozměrové změny tuhnoucích odlitků. S klesající teplotou taveniny se zvyšuje její viskozita, která také velmi úzce souvisí s rozmístěním atomů taveniny v daném objemu. Atomy se více sobě začínají přibližovat až při teplotě tuhnutí je snaha atomů zaujímat pravidelné polohy krystalických buněk, resp.

krystalických mřížek. Přechod taveniny postupně do tuhé fáze souvisí ještě s dalšími doprovodnými jevy, jako je pokles hladiny taveniny v průběhu jejího chladnutí. Tuhnutí taveniny (od teploty likvidu k teplotě solidu) je dále spojeno s objemovými změnami, které se ve slévárenské praxi nazývá stahování, resp. s úbytkem objemu, který je projevem vzniku tuhé fáze. Z technologického hlediska objemové změny jsou při tuhnutí odlitků nevítané fyzikálně- metalurgické projevy, nehledě k tomu, že u slitin hliníku činí cca 7%.

Současně je nutno připomenout, že výzkumy prováděné s roztavením kovem v oblasti sledování průběhu dilatací, jsou velmi technicky i časově náročné. Tato náročnost souvisí nejen s přesností prováděnými experimentů, dodržováním technologických parametrů přípravy taveniny a způsobu lití, ale také s použitím specifického měřicího zařízení, které je nutno nejčastěji navrhnout a zkonstruovat a ověřit jeho funkčnost.

Při chladnutí tuhé krystalické fáze atomy dokončují své postavení v krystalické mřížce a pro odlitek to znamená, že se mění jeho lineární rozměry (nejčastěji ve smyslu zmenšení - tzv.

lineární smrštění). Tak např. vzdálenost atomů hliníku v tavenině je 2,96. 10^-10 [m] a v tuhém stavu činí tato vzdálenost jen 2,86.10^-10 [m]. Rozdíl je 0,10.10^-10 [m], tj. proti tavenině změna o 3,4 %. Snižováním teploty chladnoucího odlitku dochází k intenzivnímu působení vazebných sil mezi atomy krystalické mřížky a tím ubývají prázdných míst , kterých je o několik řádů méně než v tavenině.

Zařízení, které bylo navrženo a odzkoušeno na našem pracovišti umožňuje sledovat rozměrové změny odlitků při jejich tuhnutí a chladnutí. K tomuto účelu se používají formy z CT směsi, vytvrzované CO2 pomocí kterých se smršťování odlitků zjišťuje, odlitky z těchto forem mají tvar válce  60 x 70 [mm]. Při návrhu materiálu formy se vycházelo z předpokladu, že forma bude dostatečně tuhá. a současně použití kovové formy by nevedlo k pomalému tuhnutí odlitků a tím k dostatečnému vykreslení důležitých bodů na dilatační křivce.

8. ZÁVĚR

Bakalářská práce byla zpracovaná na téma: „Sledování dilatačních změn při tuhnutí a chladnutí odlitků ze slitin hliníku“. Je rozdělena do několika tématických celků, které celkově přispívají k popisu a řešení dilatačních vlastností slévárenských slitin hliníku.

Z výše uvedeného vyplývá, že k dilatačním změnám přispívá jiný objem taveniny a jiný objem tuhé fáze, jejich rozdíl je deficitem objemu odlitku.

K řešení této problematiky je potřeba měřicí zařízení pro stanovení časových závislostí dilatace a teploty. Jak se osvědčilo na našem pracovišti, skládá se z měřícího rámu, registrační jednotky a počítače, vše je nutno před odléváním seřídit a odzkoušet.

Při řešení této problematiky je třeba důsledně provádět technologické operace a značnou pozornost věnovat přípravě taveniny slitin hliníku, včetně metalurgického ošetření, tj. rafinaci, modifikaci a očkování. Současně je třeba též měřit teplotu taveniny před jejím odléváním.

Neméně důležité je i vyhodnocení křivek a stanovení důležitých bodů na těchto křivkách.

Pro hodnocení vzniku staženin je též možno provést příslušné zkoušky dle Witmosera, Czikela.

9. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY

[1] KOLEKTIV: Příručka o hliníku 1. vydání Praha 1969

[2] MORÁVEK, J: Sledování rozměrových změn při tuhnutí a chladnutí odlitků ze slitin hliníku [Diplomová práce]. KSP-FS-TU v Liberci 2008

[3] HOŠEK, Z.: Rozměrové změny při tuhnutí grafitických litin. [Diplomová práce].

KSP-FS-TU v Liberci 2002

[4] BRADÁČ J, HOŠEK Z, NOVÁKOVÁ I, ŠMRHA J: Sledování dilatačních vlastností slitin hliníku.

Sborník mezinárodní konference 2005

[5] PIŽL, J: Vliv dilatačních procesů při tuhnutí odlitků na tvorbu jejich staženin. [Diplomová práce].

KSP-FS-TU v Liberci 2004

[6] BECHNÝ L, GEDEONOVÁ Z, Masiar H: Teória zlievania, 1. vydání Bratislava 1990 [7] MICHNA, Š a kol.: Encyklopedie hliníku 1. vydání Prešov, 2005

[8] BRABEC, P: Podklady pro řešení diplomové práce KSP-FS-TU v Liberci 2005