Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elektronickou verzí, vloženou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
SLEDOVÁNÍ ŽIVOTNOSTI TLAKOVÝCH LICÍCH FOREM
Abstrakt
Tato diplomová práce je zaměřena na problematiku degradačních procesů a s nimi spojených poškození líce forem pro tlakové lití hliníku během jejich provozu.
Teoretická část práce je věnována nejvýznamnějším vlivům ovlivňujících životnost.
Ve spolupráci s firmou Beneš a Lát byly dále zkoumány čtyři typy takovýchto porušení. Cílem práce je určit pravděpodobnou příčinu vzniku těchto porušení a uvést kroky vedoucí k jejich eliminaci u podobných aplikací.
Klíčová slova
Hliník, forma, tlakové lití, nástrojová ocel, degradační procesy, mikrostruktura, mikrotvrdost, porucha
Monitoring the service life of moulds for pressure die casting
Abstract
This diploma thesis is aimed on a problematic of degradation processes and with them associated defects inside of moulds for aluminum pressure die casting.
Theoretical part of this thesis describes the most significant influences affecting service life. In cooperation with company Beneš a Lát were analyzed four defects created inside of moulds during a standard production. Main goal of this thesis is to determinate a cause of defects and establish few steps leading to elimination of these defects in similar application.
Key words
Aluminum, mould, pressure die casting, tool steel, degradation process, microstructure, microhardness, failure
Obsah
1 Úvod... 7
2 Teoretická část ... 8
2.1 Konstrukční prvky formy ... 8
2.1.1 Vložky a rámy ... 9
2.1.2 Odvzdušnění ... 12
2.1.3 Temperační systém... 14
2.1.4 Jádra ... 15
2.1.5 Šoupátka ... 17
2.1.6 Rozvaděč ... 20
2.1.7 Vyhazovače ... 21
2.2 Výroba formy ... 24
2.2.1 Design nástroje ... 24
2.2.2 Materiál ... 25
2.2.3 Zhotovení dutiny ... 28
2.2.4 Tepelné zpracování ... 29
2.2.5 Aplikace nástroje ... 33
2.3 Principy opotřebení forem ... 33
2.3.1 Tepelná únava ... 33
2.3.2 Adheze... 35
2.3.3 Eroze ... 37
2.3.4 Abraze ... 40
2.3.5 Puknutí formy ... 42
2.4 Vliv vlastností materiálu forem na vznik vad ... 43
2.4.1 Tvrdost ... 44
2.4.2 Mez kluzu a pevnosti ... 45
2.4.3 Vrubová houževnatost ... 46
2.4.4 Tepelná vodivost ... 47
2.4.5 Koeficient tepelné dilatace ... 48
2.4.6 Youngův modul pružnosti ... 48
3 Experimentální část... 50
3.1 Vzorek A ... 50
3.1.1 Provozní data nástroje ... 51
3.1.2 Odběr vzorků ... 52
3.1.3 Chemické složení ... 54
3.1.4 Makrofraktografická analýza ... 55
3.1.5 Měření mikrotvrdosti ... 56
3.1.6 Hodnocení struktury pomocí optického mikroskopu ... 61
3.1.7 SEM analýza lomové plochy ... 67
3.2 Vzorek B ... 69
3.2.1 Provozní data nástroje ... 69
3.2.2 Odběr vzorku ... 69
3.2.3 Chemické složení ... 70
3.2.4 Makrofraktografická analýza ... 71
3.2.5 Měření mikrotvrdosti ... 72
3.2.6 Hodnocení struktury pomocí optického mikroskopu ... 77
3.2.7 SEM analýza lomové plochy ... 81
3.3 Vzorek C ... 85
3.3.1 Provozní data nástroje ... 85
3.3.2 Odběr vzorku ... 85
3.3.3 Chemické složení ... 86
3.3.4 Makrofraktografická analýza ... 86
3.3.5 Měření mikrotvrdosti ... 87
3.4 Vzorek D ... 90
3.4.1 Odběr vzorku ... 91
3.4.2 Chemické složení ... 91
3.4.3 Makrofraktografická analýza ... 91
3.4.4 Měření mikrotvrdosti ... 92
3.4.5 Hodnocení struktury pomocí mikroskopu ... 94
3.4.6 SEM analýza lomové plochy ... 97
4 Diskuze výsledků ... 99
4.1 Vzorek A ... 99
4.2 Vzorek B ... 100
4.3 Vzorek C ... 101
4.4 Vzorek D ... 102
5 Závěr ... 105
6 Použitá literatura ... 106
1 Úvod
Jedním z hlavních požadavků současné sériové, především automobilové, produkce je optimalizace výrobních procesů a postupů tak, aby se polotovar v rámci snižování nákladů co nejvíce tvarem i rozměry podobal finálnímu dílci. Velmi častým prostředkem k dosažení tohoto kritéria je užití některých z metod lití kovů pod tlakem.
Tyto polotovary disponují velmi kvalitním a čistým povrchem, dobrými rozměrovými tolerancemi a především nízkými náklady na výrobu už při středně velkých sériích.
Aby bylo možné všech výše zmíněných požadavků dosáhnout, je třeba pečlivě hlídat poměrně velké množství proměnných vstupujících do technologického procesu (např. skladování housek, tavení na správné teploty, rafinace, atd.). Jedním z nejdůležitějších vlivů je konstrukce nástroje. Jsou to právě dutiny forem dávající odlitku konečný tvar a ovlivňují tak nejvíce jeho kvalitu, zmetkovitost a tím pádem i jeho cenu.
Vhodné zhotovení nástroje je velmi zdlouhavý a náročný proces. Zahrnuje konstrukci, volbu materiálu, samotnou výrobu pomocí obrábění i tepelné zpracování.
V průběhu celého procesu může mít jakákoli i sebemenší chyba fatální následky projevující se buď ve kvalitě odlitku, zmetkovitosti nebo na trvanlivosti nástroje. Přes veškeré snahy a opatrnost se při provozu nástroje projeví uvnitř dutiny formy, resp. na jejím líci, vady. Jde o důsledky tepelného, mechanického či chemického namáhání.
Vyústěním takových degradačních procesů je rozvoj vad. Vzhledem ke skutečnosti, že působení výše zmíněných procesů je nezvratné, bývá snahou výrobců forem vady alespoň zpomalit a odložit tak definitivní poškození nástroje po co nejdelší možnou dobu.
Předložená diplomová práce vznikla ve spolupráci s firmou Beneš a Lát, a.s. Věnuje se problematice vzniku vad tlakových licích forem určených pro odlévání slitin hliníku a pravděpodobným příčinám jejich vzniku.
2 Teoretická část
Slévárenské formy pro vysokotlaké lití slitin hliníku, viz obr. 1, lze rozdělit podle několika kritérií. Podle způsobu vyhazování odlitku z dutiny formy na formy s ručním, mechanickým, či hydraulickým vyhazováním odlitku.
Dále např. podle násobnosti formy na formy jednodutinové a vícedutinové.
Obr. 1 Slévárenská vícedutinová forma pro vysokotlaké lití
Konstrukce tlakové licí formy je s ohledem na její obtížné provozní podmínky vzhledem k její správné funkci a dlouhé životnosti klíčová. Musí pracovat optimálně i při velmi vysokých tlacích vyvolaných pístem působícím na taveninu, vysoké rychlosti taveniny proudící ze zářezů do dutiny formy, extrémních teplotách a musí odolávat chemickým vlivům taveniny působícím na materiál vložky. Konstrukce vychází především z tvaru odlitku, je však nezbytné brát v potaz kritéria, jako např.
typ licího stroje, temperanční jednotky, systém vyhazování, skladování atd., [11].
2.1 Konstrukční prvky formy
Forma samotná je tvořena několika technologickými prvky, které budou podrobněji popsány v následujících kapitolách. V zásadě se jedná o vložky a rámy, odvzdušňovací systém, temperační systém, jádra, šoupátka, rozvaděč a vyhazovače, [18].
2.1.1 Vložky a rámy
Oba tyto prvky se ve formě vyskytují ve dvou variantách, a to pokaždé pro montáž na pohyblivou či pevnou část stroje, viz obr. 2.
Obr. 2 Pevná (A) a pohyblivá (B) část slévárenské formy pro vysokotlaké lití
Po slícování tvoří dutinu formy pohyblivá a pevná tvarová vložka.
V pohyblivé části formy je situován rozvaděč, stolička, vyhazovače a optimálně i jádra. Jádra se umísťují do pohyblivé části formy z důvodu jednoduššího vyjímání odlitku z dutiny, jejich umístění v pohyblivé části však není pravidlem.
Pohyblivá část formy je upnuta na tzv. nosiči forem pomocí upínek a T-drážek.
V pevné části formy je umístěno ústí licí komory. Na tlakovém licím stroji je pevná část formy upnuta opět pomocí T-drážek a upínek, [22].
V technické praxi se využívají dva druhy tlakových licích forem. A to formy zhotovené z jednoho kusu a formy vložkované, přičemž formy z jednoho kusu nástrojové oceli obsahující tvarovou dutinu a jsou v ní umístěny veškeré funkční prvky, rám tedy odpadá. Tyto formy se používají u tvarově složitých odlitků, u kterých je nutné použití mnoha jader a u prototypových odlitků.
Častěji se ale používají formy, u kterých jsou tvarové vložky, zhotovené z nástrojové oceli, zasazeny do rámů z konstrukční oceli. Toto uspořádání snižuje náklady na výrobu forem velkých rozměrů a navíc umožňuje jednoduchou vyměnitelnost rychle se opotřebovávajících částí dutiny formy, např. rozvaděče. To vede ke zvýšení životnosti formy, [22].
Tvarové vložky, viz obr. 3, jsou obvykle vyráběny z nástrojových ocelí legovaných vanadem, chromem a molybdenem (charakteristickým zástupcem je materiál 1.2344), které jsou vhodně tepelně zušlechtěny. Tyto vložky jsou přesně lícované do rámu nástroje tvořících jejich oporu. Jde o nejvíce chemicky a tepelně zatěžované součásti licí formy.
A B
Obr. 3 Tvarové vložky fixované v sestavě vysokotlaké licí formy [ 1 - tvarová vložka pevné části, 2 - tvarová vložka pohyblivé části ]
Rámy, viz obr. 4 a 5, se vyrábí přímo na míru k vložkám, kterým tvoří oporu a tlakovým licím strojům, na které budou aplikovány. Rám se skládá opět z pevné a pohyblivé části. Ve všech rozích rámu jsou situována vybrání 10 mm pro montážní páku, aby bylo možno rámy v případě potřeby s její pomocí od sebe oddělit. Aby bylo zajištěno dosedání vložek na sebe, lícuje se vložka do rámu s přesahem v čelní ploše přibližně 0,3 mm. Samotné vložky dosedají obvodovou plochou v rámu v přibližně 1/3 své hloubky. Ve zbývajících 2/3 je provedeno 0,5 mm odlehčení pro jednoduchou demontáž vložky z rámu. V případě odlitků, s výslovným zákazem přesazení je nezbytně nutné vytvořit v rozích vložky či hranách rámu středící kameny, [18], [22].
2
1
Obr. 4 Rámy v sestavě slévárenské formy pro vysokotlaké lití [ 1 - nohy, 2 - rám pevné části formy, 3 - montážní oko, 4 - vodící sloupky, 5 - rám pohyblivé části formy,
6 - pouzdro vodícího kolíku, 7 - stolička, 8 - nosič forem ]
Obr. 5 Rám pohyblivé části formy pro vysokotlaké lití [ (A) přední pohled, (B) zadní pohled, (C) tvarová vložka ]
A B C
5 2
3
6
1
7 8
4
2.1.2 Odvzdušnění
Kvalitní konstrukce tlakové licí formy je podmíněna bezproblémovým vytlačením veškerého vzduchu uzavřeného v dutině formy, vtokové soustavě a v licí komoře. Ten je prostřednictvím vtlačované taveniny hnán formou a tzv.
odvzdušňovacím systémem ven z formy.
Špatně navržený systém odvzdušnění vede ke zvýšení zmetkovitosti, resp.
zvýšení výskytu porezity (bubliny, staženiny a řediny). Záludnost pórovitosti spočívá v její neviditelnosti okem na povrchu odlitku, řádově však snižuje jeho mechanické vlastnosti a především těsnost. Lze ji detekovat rentgenem a často se zdůrazní na povrchu po lakování, [12], [22], [23].
Aby bylo zabráněno vzniku těchto nežádoucích vad, je důležité zabránit tavenině v uzavření odvzdušňovacích kanálů před tím, než dojde k vytlačení veškerého vzduchu z pracovního prostoru formy. V opačném případě je zde možnost nebezpečí uzavření vzduchu. Vzhledem k této problematice je vhodné dodržovat následující konstrukční zásady.
Systém odvzdušňovacích kanálů se obvykle umisťuje v dělící rovině, standardně je umístěn po obvodu dutiny, hlavně kvůli snadné údržbě a čištění. Tento systém je vysoce účinný u tenkostěnných odlitků. U odlitků disponujících tlustšími stěnami většinou dochází k zatuhnutí přetoků dříve, než je plnění dutiny dokončeno.
Proto je vhodné dbát, dovolí-li to konstrukce odlitku, na umístění dělící roviny tak, aby se místa u přetoků zaplnila jako poslední. U malých odlitků se obecně nedoporučuje dávat odvzdušnění přímo proti naříznutí. To především kvůli vzniku reálného nebezpečí zástřiku odvzdušňovacích kanálků taveninou tryskající ze zářezu před kompletním vyplněním dutiny formy, což vede ke ztrátě funkce odvzdušnění.
Odvzdušňovací systém je definován nejen počtem a rozmístěním těchto kanálů, ale i poměry probíhajícího hydrodynamického proudění (odstraněním víření eliminujeme obsah vzduchu uvnitř taveniny) a směrem proudění taveniny. Vhodné je vpouštět taveninu do dutiny formy z jedné úzké strany nepřerušovaným tokem adekvátním naříznutím (vzhledem ke složitosti a povaze odlitku tak, aby nedošlo k tvorbě vzduchových kapes). Tloušťka průřezů odvzdušňovacích kanálů se většinou pohybuje dle různé literatury od 0,05 do 0,1 mm se šířkou 2 - 20 mm. S rostoucí hodnotou vzdálenosti od vtoku je vhodné rozměry průřezu zvětšovat. Stejně tak je vhodné zhotovit odvzdušnění v místech s prudkou změnou tloušťky odlitku, [12], [22].
Aby odvzdušnění řádně plnilo svou funkci, musí dojít k jejich uzavření taveninou až ve chvíli, kdy tavenina již nemá možnost předběhnout vzduch v dutině formy. Toto nebezpeční předbíhání se zvyšuje úměrně s rychlostí proudění taveniny.
Tyto nesnáze jsou často způsobeny nevhodným nasměrováním toku taveniny a čelními nárazy taveniny na pracovní povrch formy či jádra, [22].
V místech, kde hrozí mimořádné nebezpečí uzavření vzduchových kapes (např.
nejvzdálenější místa dutiny formy od zářezu), se aplikují tzv. přetoky (či ledviny). Ty mají funkci zachytit první částice zoxidované a znečištěné taveniny (tavenina sycená
vzduchem, zbytky lubrikantu atd.). Jejich správná funkce je zajištěna pouze tehdy, je-li přetok zcela zaplněn taveninou. Přetok je vzdálen od dutiny formy přibližně 10 mm a bývá spojen s odlitkem pomocí hlubšího kanálku. Při vyjímání odlitku z dutiny formy po ztuhnutí dojde k jejich vyhození společně s odlitkem.
Obecně též platí, že s tloušťkou stěn odlitku se přetoky zvětšují a kanálky rozšiřují za účelem zabezpečení dostatečného odvzdušnění. Do oblasti přetoků se často umísťují vyhazovače především v případech, kdy na odlitku nesmí být stopa po vyhazovači, či pro bezpečné vyhození těchto přetoků. Na každém přetoku bývá značen typ slitiny pro případnou recyklaci, [12], [18], [22].
V případě hlubokých tvarů odlévaných dílců je možné provést odvzdušnění pomocí obvodu jader. To s sebou může nést jisté obtíže s narůstající silou potřebnou k odformování odlitku (fáze, kdy dochází po ztuhnutí odlitku k otevírání formy), což je převážně způsobeno zatuhlým kovem v odvzdušňovacím kanálku zhotoveném na jádře.
K ukončení odvzdušňovacích kanálů se používá pásků, nebo čím dál častěji odvzdušňovacích vlnovců. Tyto systémy zabraňují vystříknutí taveniny z dutiny formy, protože při vytlačení vzduchu a kontaktu s taveninou dojde k zatuhnutí jejího čela.
Vlnovec, viz obr. 6, je vložka, na které je vytvořeno drážkování zabraňující průchodu taveniny odvzdušňovacími kanály ven z formy. Vlnovec musí být řádně zalícován s cílem zamezit vzniku otřepů a intenzivně chlazen pro zabezpečení okamžitého zatuhnutí taveniny ve chvíli, kdy roztavený kov přijde do kontaktu s drážkováním vlnovce (fáze, kdy už by měl být vytlačen veškerý vzduch z části, pro kterou byl určen právě tento odvzdušňovací kanál). Proti pohybu stlačenou taveninou je pojištěn perem.
Každý odvzdušňovací kanál zanechává na odlitku otřep. Ten je v průběhu dokončovacích operací po vyjmutí z formy odstraněn, [18], [22].
Obr. 6 Odvzdušňovací vlnovec/valcha
2.1.3 Temperační systém
Temperační systém každé formy je tvořen soustavou kanálů, která slouží pro předehřívání formy před vlastním litím a pro ochlazování v průběhu tuhnutí odlitku.
Správná aplikace tohoto systému je nezbytná k zajištění kvalitního a přesného dílu, vysoké produktivity práce (pracovní cyklus stroje je ovlivňován teplotou) a především životnosti formy. Jakákoliv nehomogenita teplotních polí je příčinou tepelných pnutí vzniklých změnou objemu, jejichž důsledkem jsou vady - praskliny v nástroji a zvýšená zmetkovitost odlitků, [10].
Z tohoto hlediska by bylo velmi výhodné umístit temperační kanály v izotermách kolem líce formy, který je ve styku s taveninou a tím zajistit rovnoměrný teplotní gradient. To bohužel vzhledem ke složitosti odlitků není možné (s výjimkou nekonvenčních technologií výroby forem, např. laserovým sintrováním) a je tedy hledán kompromis mezi možností umístění kanálů a homogenitou teplotního pole, [19].
Tvarové vložky je vhodné vyrábět z materiálu s vysokou tepelnou vodivostí, která má příznivý vliv na rychlost odvodu tepla z dutiny formy (usnadňuje předávání tepla z líce formy do vzdálenějších vrstev). Tato rychlost je významná i z hlediska rozměrových změn formy. Překročení optimálních teplot na líci formy vede ke zbytečně rychlému opotřebení formy a tzv. nalepování odlitku na její líc.
Bylo zjištěno, že k největší diferenci teplot v rámci jednoho cyklu dochází do 1mm pod lícem formy a to o 40 - 60°C. Ve hloubce okolo 20 mm již přechází teplo rovnoměrně do celé hmoty formy bez citelných teplotních výkyvů, [22].
Nesourodost teplotních polí je možné korigovat víceokruhovými temperačními systémy, např. viz obr. 7. Temperační kanály se obvykle vrtají v průměrech 8 - 15 mm v závislosti na tloušťce stěny odlitku, viz tab. 1, a umísťují se ve vzdálenosti minimálně 10 mm od líce formy, [16], [12].
Obr. 7 Systém temperančních kanálů (červeně zvýrazněné) rozvaděče (A) a vložky formy (B) pro vysokotlaké lití
B
A
Tab. 1 Závislost průměru kanálu na tloušťce stěny odlitku Tloušťka stěny odlitku [mm] Průměr kanálu [mm]
Do 2 Od 8 do 10
Do 4 Od 10 do 12
Do 6 Od 12 do 15
Pro temperaci tlakových licích forem se jako média využívají temperační oleje nebo voda. S cílem udržet optimální teplotu líce formy na konstantní hodnotě je sledována teplota média na vstupu a výstupu z formy. Regulátor posléze dle teploty média na vstupu nebo výstupu z formy, popř. zvětšením či zmenšením průtoku temperačního média ovlivňuje teplotní pole formy. Vstupní teplota temperačního média má být minimálně 30°C.
Systém nemá za cíl pouze chladit nástroj v průběhu tuhnutí odlitku, ale také zmenšovat tepelný spád mezi pracovní dutinou formy a hlubšími vrstvami nástroje.
Vyčnívající ostré hrany s malým zaoblením, jádra a části v blízkosti tlustostěnných míst pohltí vždy větší množství tepla. Proto je zde nutné chladit o něco intenzivněji.
Jádra je možné chladit vodou či stlačeným vzduchem (tento druh chlazení se nepovažuje za moc účinný). V případě vody je jádro chlazeno vložkovanou dutinou vedenou nejlépe tepelnou osou jádra. V případě chlazení vzduchem je jádro buď chlazeno po otevření automaticky stlačeným vzduchem, nebo se jádro z vnější strany prodlouží a opatří se z vnějšku chladícími žebry. Části odlitků, na které je v jejich průřezu kladen požadavek minimální pórovitosti, je nezbytné chladit velmi intenzivně.
Temperační systém tedy musí zajistit dva úkoly, a to rovnoměrné rozložení teploty ve formě na začátku každého cyklu a odvod tepla po vstříknutí taveniny tak, aby byl její nárůst co nejmenší.
Za účelem zmírnění tepelného gradientu je doporučovaná teplota předehřevu tlakové licí formy pro odlévání slitin hliníku 200 - 250°C. Udržení optimální teplotní bilance je nejsložitější v případě silnostěnných odlitků a oblastech nejdále od naříznutí.
Při konstrukci vtokové soustavy přivádějící taveninu do formy je vhodné přihlédnout k tomu, aby částečně regulovala teplotu formy. Např. zavedení dobře dimenzovaného vtokového systému i do vzdálenějších míst odlitku zajišťující temperaci a dosazování kovu do nejchladnějších míst, čímž je umožněno zároveň rovnoměrné tuhnutí odlitku. To samé v malé míře zajišťují i přetoky umístěné na odvzdušňovacím systému po obvodu formy, [22].
2.1.4 Jádra
Jádra se ve slévárenských formách využívají v případech tvarové náročnosti odlitku znemožňující výrobu formy pomocí dvou tvarových částí (pevné a pohyblivé části), či k předlévání otvorů a odlehčení (zabrání se tím mj. i tvorbě nehomogenních tepelných uzlů a tím i vzniku staženin), [23].
V tlakových licích formách se využívají jádra pevná (nehybná) a pohyblivá, viz obr. 8.
Nehybná jádra jsou umístěna skrz vložku a jsou fixována pomocí zátky uvnitř rámu. V tomto případě jde nejčastěji o předlévání otvorů či odlehčení kolmých na dělící rovinu. Nejvýhodnější je uložení těchto jader v pohyblivé části formy.
Teoreticky toto uspořádání po ochlazení zajistí, že svěrná síla, kterou vyvine tuhnoucí odlitek na jádra, bude v pohyblivé části větší než na pevné. Tím bude zajištěna fixace odlitku právě na pohyblivé straně formy a bude jednoduše docíleno optimálního vyjmutí dílce vyhazovači.
Obr. 8 Jádra umístěna v sestavě slévárenské formy pro vysokotlaké lití [ 1 - pevné jádro v pevné části formy, 2 - pohyblivé jádro v pohyblivé části formy, 3 - pevné jádro
v pohyblivé části formy ]
V případě jednoduchých otvorů jsou vyráběna na míru z normovaných polotovarů. Kolem jader by neměly vznikat otřepy, proto jsou lícována do tvarové vložky v tolerančních polích H5/g6 s tím, že min. po 20 mm lícované díry by mělo být provedeno odlehčení díry o 1mm pro jednodušší výměnu. Jádro je ve vložce fixováno dvěma zátkami uloženými v rámu. Tím je umožněna výměna jádra přes rám bez nutnosti demontáže vložky, [22].
2
1
3
Pohyblivá jádra jsou používána v situacích, kdy je předléván otvor či tvar, jejichž osa se nachází ve směru libovolném od směru normály dělící roviny (zasunuté jádro by v odlitku bránilo jeho vyjmutí z dutiny nástroje). Skládají se z jádra a šoupátka se zámkem. Tato jádra musí mít při zavřené formě jasně definovanou polohu a být dostatečně zajištěna proti vyražení taveninou (např. zámek zapadající do vybrání v pevné části formy). Jádro je obyčejně vložené do šoupátka.
Dále se musí dbát na dostatečný opěr odlitku při vytahování jádra, kdy je potřeba značné síly a při malých opěrných plochách dojde v rámci narůstání lokálních tlaků k poškození odlitku. Tento druh jader má z tohoto důvodu často větší úkosy, než jsou předepisovány v ostatních částech formy, [22], [16].
Jádra jsou ze všech stran silně tepelně namáhána, proto jsou zhotovena z tepelně odolného materiálu (např. 1.2344) a pro optimální chod následně povlakována (např. CrN, TiN) či nitridována. Tím se zpomalí erozivní účinky taveniny a částečně zabrání ulpívání taveniny na jádře.
Velmi často se jádra používají, pokud je v odlitku umístěn zálitek. V tom případě se zálitek fixuje na jádro. Proto je nezbytné dbát na to, aby jádro mělo dostatečnou tuhost, [18].
Obr. 9 Jádro upravené z nakoupeného polotovaru (upravené plochy jsou zeleně zvýrazněné)
2.1.5 Šoupátka
Šoupátka jsou součástí tlakových licích forem, které, v případě pohyblivých jader, tato jádra uvnitř formy vedou. Dají se řadit dle mechanismů, jež s nimi manipulují, na mechanická a hydraulická.
V minulosti se používala čistě mechanická ruční šoupátka. Jejich použití bylo bezpečné, nehrozilo poškození jader v případě závady (byla ovládána manuálně obsluhou). Dále vynikala jednoduchou konstrukcí a snadným sledováním jejich polohy. Nevýhodou byla silně snížená produktivita stroje.
Později se začala používat šoupátka řešená mechanicky pomocí kulisy, tzv.
šikmého kolíku, viz obr. 10 a 11. Šikmý kolík o průměru 12 až 30 mm je v pevné části formy uložen se sklonem 10 - 25°, jeho délka je závislá na potřebném zdvihu.
Proti vytažení je jištěn válcovou hlavou. Čelo kolíku je sražené pro snadnější navedení
do pouzdra šoupěte. Tento kolík prochází otvorem v šoupátku vrtaným rovnoběžně s osou kolíku, který většinou bývá osazen bronzovým pouzdrem. K jeho pohybu je využíváno zpětného pohybu stroje. V průběhu otevírání formy působí šikmý kolík na šoupě a tím vysune jádro z odlitku. Při otevřené formě je nezbytné zajistit šoupě v přesné poloze. Tím je zabráněno kolizi šikmého kolíku a šoupěte v důsledku jeho posunutí (během otevření formy) mimo krajní polohu. Při aplikaci tohoto systému je třeba myslet na vybrání pro šikmý kolík v pohyblivé části formy. Zámek umístěný na šoupátku má sklon z pravidla o 5° větší než je sklon šikmého kolíku. Toto pravidlo je zdůvodněno redukcí tření na šikmé ploše zámku při otvírání či zavírání formy.
Část kolíku ukládaná do rámu je zhotovena v toleranci p7. Část kolíku ve styku s pouzdrem šoupátka je s lícováním H8/d8. Kolík je cementován, kalen a broušen, aby byla zajištěna jeho dlouhodobá životnost v provozu.
Po uzavření formy je jakékoliv namáhání šikmého kolíku nepřípustné, např.
silami od tlaku taveniny. Tyto síly musí zachytit zámek šoupěte, [18], [22].
Obr. 10 Systém mechanických šoupátek ovládaných šikmým kolíkem uvnitř slévárenské formy pro tlakové lití [ 1- šikmý kolík, 2 - šoupě s upnutými jádry, 3- příložka
šoupěte ]
Dnes jsou při konstrukci forem velmi složitých tvarů aplikována hydraulická šoupátka. Jejich pohyb je vytvářen pomocí hydraulického válce s dvojčinným pístem,
2 3
1
tzv. tahače. Vyrábí se jako přídavné příslušenství ke strojům pro tlakové lití. Typ a velikost hydraulického tahače je odvozena od velikosti jádra. Na boku formy je přišroubována deska, do níž se přichytí hydraulický píst. Pracovní zdvih je dán délkou pístu tahače. Čelo pístnice je osazeno závitem pro spojení se šoupátkem. U tohoto způsobu je možné vysouvat šoupata i v případě, že už je forma otevřena. Mezi hlavní výhody tohoto způsobu patří plynulé vyjímání jader, možnost vyjímání jader nezávisle na otevírání formy a univerzálnost, tj. možnost demontáže tahače po výměně formy a jeho aplikaci na nově nasazený nástroj, [16].
Šoupátka mají často tvar hranolu, výjimkou však nejsou ani válcová. Vyráběna jsou z konstrukční oceli vhodné pro cementaci a kalení. To je pak uvnitř pohyblivé části formy drženo obvykle dvěma příložkami umožňujícímu translační pohyb. Tento druh uložení se velmi jednoduše čistí a je snadno opravitelný. Prizmatické vedení vypracováno přímo do formy je naopak náročné na jakoukoliv údržbu a hrozí zde nebezpečí zadření šoupátka. Jádra se do nich upínají pomocí T-drážek, závitem, kolíkem, někdy jsou dokonce součástí samotného šoupěte (obtížná výměna, pouze pro speciální aplikace), [22].
Uložení veškerých šoupátek uvnitř formy má jistá pravidla. Úložky šoupátek zajišťující jejich vedení musí být montována ze strany rámu proto, aby nedošlo k zanášení hlavic montážních šroubů hliníkem. Slícování šoupátka s těmito příložkami je v toleranci H7/e8. Příložky se zajišťují klínem, nikoli kolíkem. Všechny dílčí součásti šoupátek musí být opatřeny číslem na stejné straně s cílem zabránit záměně a špatné orientaci dílů. V případě, že by síla šoupátka mohla způsobit posun vložek, je nutné použít středící kameny.
Obr. 11 Mechanické šoupátko s instalovanými jádry [ 1 - jádro, 2 - vedení šoupěte, 3 -šikmo vrtaná vodící díra šoupěte ]
Šoupě, pokud je ovládáno hydraulickým válcem, je s pístem válce spojeno stavěcím šroubem (pro jednodušší nastavení polohy šoupěte vůči pístu). Tyto válce mají často vlastní uzamykání a koncové snímače polohy, proto není nutné tvořit uzamykací systém v dutině formy.
1
3
2
Pro kratší zdvihy se volí šikmý kolík, pro dlouhé zdvihy je vhodnější hydraulický tahač. V rámci jedné formy je možné použít kombinaci šikmého kolíku a hydraulického tahače, [18].
2.1.6 Rozvaděč
Rozvaděč, viz obr. 12 a 13, je situován do pohyblivé části formy přímo proti ústí licí komory. Jde o nejvíce namáhané místo licí formy. Proudí zde tavenina o vysoké teplotě, vysokou rychlostí a prudce mění směr. Rozvaděč má několik funkcí, mezi které patří změna směru proudu vstřikované taveniny, zajištění plynulého přechodu na jiný průřez vtoku a ochranu nejvíce namáhaného místa vložky před rychlým opotřebením.
Obr. 12 Vložky rozvaděče instalované v systému slévárenské formy pro vysokotlaké lití [ 1- otvor pro montáž licí komory, 2- vložka rozvaděče v pevné části formy,
3- vložka rozvaděče v pohyblivé části formy ]
Při vstřikování taveniny z licí komory ve směru normály na dělící rovinu musí tavenina prudce změnit směr, někdy až o 90°. Rozdělovač v tomto místě usměrňuje tok proudu taveniny. Je to nejvíce tepelně a chemicky namáhané místo. Proto je rozvaděč navrhován jako vložka, kterou lze v případě vyššího stupně opotřebení rychle vyměnit. V praxi se vyskytují dva druhy rozvaděčů, tj. plochý a kuželový. Pro konstrukci rozvaděčů jsou stanoveny následující konstrukční zásady, [16].
1 2
3
Minimální tloušťka této vložky musí být v nejtenčím místě 40 mm s tím, že chladící kanály uvnitř musí mít vzdálenost od aktivního povrchu alespoň 15 mm.
Velikost těsnící plochy vložky rozvaděče by měly mít alespoň 40 mm. Vtokový kanál je vhodné opatřit číslem odlévaného materiálu pro pozdější recyklaci, [18].
Obr. 13 Vyjmutá vložka rozvaděče
2.1.7 Vyhazovače
Jak už bylo uvedeno výše, je pro úspěšnou realizaci vyhazování odlitku z dutiny formy nezbytné zajistit pomocí geometrie nástroje setrvání odlitku po otevření formy v její pohyblivé části. Toho se obvykle dosahuje umístěním odlitku ve formě tak, aby síly na jádra a líc formy vzniklé smrštěním byly v pohyblivé části formy větší než v pevné. V praxi je tohoto požadavku dosaženo pomocí umisťování jader do pohyblivé části formy, což umožní bezproblémové vytažení vtokové soustavy (především u licí komory). Vložka rozvaděče a ústí komory během provozu citelně trpí na vznik prasklin, kůl následně zadrhává a ztěžuje vyhození odlitku, [22].
Umístění vyhazovačů je navrhováno tak, aby nedošlo v důsledku vyhození k poškození funkčních či pohledových ploch odlitku. Vyhazovače mají nejčastěji tvar válcových kolíků a jsou uloženy kluzně ve vložce (v toleranci H7/g6 v délce min.
20 mm, poté se provádí odlehčení o 1 mm zaručující nízké tření vyhazovače ve vodící ploše) a rámu pohyblivé části formy. Tyto otvory musí být soustředné s otvory umístění vyhazovačů v desce vyhazovačů. Při použití vyhazovačů průměru 3 - 5 mm se pro zvýšení pevnosti používá vodících pouzder, [18], [22].
Krom válcových vyhazovačů lze použít i vyhazovače trubkové, používané především pro lití pouzder či odlitků s tenkými náboji. Podmínkou nasazení v tomto případě je, že odlitky musí být zaformovány osou v normále dělící roviny (jádro je vedeno vnitřkem vyhazovače a je fixováno na stoličku pomocí desky). Použití válcových vyhazovačů soustředně okolo náboje v těchto situacích není možné s ohledem na malou tloušťku náboje a přihlédnutím ke skutečnosti, že odlitek klade největší odpor právě na jádře, což by vedlo k deformaci odlitku vyhazovačem.
Trubkové vyhazovače jsou velmi náchylné k zadírání na jádře či vložce. S tím je spjat nárok na pečlivější údržbu v průběhu provozu, [22].
Protože jsou vyhazovače velmi často poškozeny v důsledku jejich namáhání na vzpěr, jsou jejich rozměry standardizovány a jsou nakupovány jako normálie. Jejich hlavy jsou vloženy do desky vyhazovačů (blíže vložce) a staženy vyhazovací deskou
(dále od vložky) pomocí šroubů se zaručenou axiální vůlí mezi hlavou a vyhazovací deskou 0,05 mm. V rozích vyhazovací desky je provedeno vybrání o tloušťce min.
5 mm z důvodu jednoduchého oddělení desek od sebe pomocí montážní páky. Tyto desky jsou vedeny po vodících kolících.
Fixace vyhazovačů v deskách umožňuje výměnu bez nutnosti jakýchkoli zásahů do vložky či rámu formy. Každý vyhazovač má na své hlavě pořadové číslo, jež je shodné s číslem otvoru na desce vyhazovačů, pro který je vyhazovač určen.
Častým materiálem pro zhotovení vyhazovačů je materiál 1.2343, který je často plasmově nitridován pro zvýšení povrchové tvrdosti zaručující snížení koeficientu tření a možnosti zadření. Vyhazovače je nutné neustále seřizovat, protože jsou častým důvodem vzniku vad odlitku, [18], [22].
Obr. 14 Vyhazovací systém instalovaný ve slévárenské formě pro tlakové lití Celý vyhazovací systém může být ovládán různými způsoby. Prvním způsobem je ruční vyhazování ozubenou tyčí a pastorkem s ruční pákou. Tento systém využívá ozubené tyče pevně spojené s vyhazovací deskou i deskou vyhazovačů. Zatažením za páku se přes pastorek rotační pohyb převede na ozubenou tyč (translační pohyb) a na vyhazovací desku. Před každým cyklem je nutné vyhazovače vrátit manuálně do původní polohy. Druhým typem je automatické vyhazování vyrážecími tyčemi. Systém využívá zpětného chodu formy při jejím otevírání. V uzavíracím válci stroje jsou montovány čtyři vyhazovací tyče procházející
skrze nosič formy. Tyto tyče dosedají na vyhazovací desku ještě před dokončením zpětného pohybu stroje. Forma se stoličkou se však pohybuje dál až do koncové polohy (např. od 20 mm dále). To způsobí vysunutí vyhazovačů do dutiny formy o 20 mm a vyhození odlitku. Zpětný pohyb je realizován pomocí stavěcích šroubů.
Jejich prostřednictvím se v dopředném chodu opře vyhazovací deska o pevnou část formy ještě předtím, než bude forma zcela dovřená. To způsobí pohyb vyhazovací desky a zasunutí vyhazovačů do výchozí polohy.
V dnešní době je bezpochyby nejrozšířenějším systémem hydraulické vyhazování. Oproti manuálním metodám zvyšuje produktivitu práce a snižuje fyzickou námahu v případě automatického vyhazování, redukuje rázy vzniklé kontaktem dorazů a vyhazovacích desek. Pohyb desek je uskutečněn skrz nosič formy vyhazovacími tyčemi, které se opírají o hydraulický válec. Ten obstarává pohyb vyhazovacích desek s vyhazovači. V současnosti je tento proces plně automatizován a počítačově řízen, [22].
Obr. 15 Systém vyhazovačů (A) [1 - vodící pouzdro, 2 - vyhazovací deska, 3 - deska vyhazovačů, 4 – vyhazovač ], detail vyhazovače (B)
Dalším systémem je automatické vyhazování stírací deskou. Tento princip se využívá v případě, že je předepsán na odlitku zákaz stop po vyhazovačích, nebo jsou stěny odlitku velmi tenké (při vyhození je zvýšené riziko protržení odlitku). Pohyblivá část formy je opatřena středícími kameny či kolíky. Místo toho, aby byla pohyblivá část upnuta přímo na nosiči formy, je nyní upnuta za stírací deskou. Ta je montována na nosič formy přes připevňovací desku, do které jsou vložena jádra. Cyklus vyhození je opět aktivován zpětným posuvem stroje. Dojde k dostatečnému pootevření formy, následně stírací deska dosedne na vyhazovací tyče a pohyb pohyblivé části formy se zastaví, přičemž jádra pokračují v relativním pohybu dále (stroj ještě není plně rozevřen) až do doby, kdy jsou jádra natolik povytažena, že odlitek půjde jednoduše sejmout. Uvedení jader do původní polohy se provede pouze uzavřením formy před dalším cyklem.
A B
1 2
3 4
2.2 Výroba formy
Jako u každého výrobku jsou vlastnosti a životnost slévárenských forem dány postupem a historií její výroby. Vše se odvíjí již od konstrukce odlitku a jeho požadovaných vlastností. Tím je do jisté míry omezena svoboda volby dělící roviny, jejíž plocha nám určuje spolu s plnícím tlakem hodnotu uzavírací síly a zároveň tím definuje stroj, na který bude forma aplikována.
Spolu s konstrukcí má zásadní vliv volba materiálu formy. Je nutné použít homogenní materiál s vhodnou kombinací legujících prvků, s požadovanou strukturou a v požadovaných rozměrech. Volba správného materiálu je často omezena ekonomickými možnostmi zadavatele zakázky, což bývá častokrát rozhodující faktor.
Volba materiálu by měla být spolu s požadovaným počtem odlitků v sérii kompromisem mezi životností a finální cenou nástroje.
Samotné zhotovení dutiny je realizováno pomocí obrábění, ať už třískového či speciálního. V dnešní době se používají výkonná CNC centra s velkým počtem nástrojů v zásobníku, souřadnicové vrtačky a brusky. Ve velké míře nachází uplatnění speciální metody obrábění, např. elektroerozivní obrábění (EDM) na tzv. drátořezech či elektrojiskrových hloubičkách. Podíl této operace na nákladech je velmi citelný, navíc je třeba ji zhotovit ve velkých přesnostech současně s velmi nízkou hodnotou drsnosti povrchu. Dokončovací operace a leštění je vzhledem ke složitému charakteru profilu dutiny prováděno ručně.
Životnost tlakové licí formy je dále závislá na způsobu tepelného zpracování.
Při výrobě jsou prováděny různé druhy tepelného zpracování, ať už před obráběním materiálu s cílem homogenizovat strukturu a chemické složení, zvýšení mechanických vlastností, anebo pro snížení pnutí vnesené během obrábění a zpracování. Opět jde o velmi nákladný proces, jak časově tak finančně. Provádí se podle velmi podrobných stanov uvedených v návodkách pro zpracování jednotlivých typů materiálu.
Samostatnou kapitolou je nasazení nástroje do výrobního procesu. Existuje zde velké množství proměnných, jejichž vhodnou kombinací je umožněn vznik odlitku vyhovujícího normám a sjednaným technickým podmínkám. Metodik a nastavení, jak získat takto bezproblémový odlitek, je relativně velké množství. Důležité však je vybrat kombinaci nejvíce šetrnou k samotnému nástroji.
Etapy výroby nástroje od designu nástroje přes materiál, obrábění, tepelné zpracování, po aplikaci nástroje jsou podrobněji popsány v následujících kapitolách.
2.2.1 Design nástroje
Jak již bylo výše uvedeno, konstrukční uspořádání je do velké míry ovlivňováno požadovaným tvarem odlitku. Kvalita konečného designu ovlivňuje bezporuchový provoz a ekonomické výsledky. Samotný design nástroje v sobě zahrnuje zvolení správného materiálu (kapitola 2.2.2), konstrukci dutiny i dalších systémů nástroje s přihlédnutím k jeho co nejjednodušší výrobě, [22].
Při návrhu formy je třeba brát v úvahu samotnou technologii lítí a technologii zhotovení formy. Při určování rozměrů formy je dobré vést v patrnosti, že jde o nástroje pracující za tepla. Přesnost různých detailů na nástroji vyjma pracovní dutiny by měla být tam, kde není odůvodnitelná, co nejnižší. Tím předejdeme následným komplikacím a prodlužování času při výrobě formy. Pracovní dutina musí být oproti těmto detailům kreslena velmi podrobně a pečlivě včetně nezbytných přídavků na smrštění odlitku. S cílem snížit výrobní náklady na formu je výhodné užít v co největší míře normalizovaných součástí (např. jádra, vyhazovače, oka atd.).
V případě složitého nástroje je zřejmé, že ne všechny součásti mohou být upraveny s ohledem na co nejjednodušší výrobu. Toho lze ale v jisté míře dosáhnout např. zjednodušením samotného odlitku, tedy přizpůsobení jeho konstrukce používané technologii výroby. Takovým úpravám nezbytně předchází konzultace se zadavateli objednávky s cílem předejít komplikacím s nesprávným plněním funkce odlitku.
Obecně platí pro návrh forem jistá pravidla, která vycházejí ze zkušeností předcházejících generací konstruktérů. Rozsáhlé množství jich je popsáno v kapitole 3.1 zaměřující se detailněji na jednotlivé subsystémy formy, [22].
Při konstrukčním návrhu složitých nástrojů se v technické praxi běžně využívá modelování pomocí CAD systémů (ProEingeneer, Catia). Výstupem z těchto programů jsou 3D modely s přesnými rozměry budoucích forem. Z těchto systémů jsou generovány výkresy, nicméně tvary dutin a jejich následné popsání na výkresech je v některých situacích natolik složité, že se pro výrobu vložky používá přímo 3D dat z modelu.
Těchto dat se využívá i pro simulace prováděné pro každý složitější díl.
Sleduje se např. funkce zářezů a průběh plnění formy taveninou a směry tohoto proudění, funkce odvzdušňovacích kanálů, bilance tepelných polí, průběh tuhnutí odlitku, atd. To vše s cílem predikce tvorby slévárenských vad a jejich odstranění v průběhu fáze navrhování nástroje, kdy jsou úpravy nejjednodušší s minimálními náklady. Pro tyto simulace se používá např. software Magma, ProCast atd. Simulace jsou velmi citlivé na přesnost zadaných dat a zkušenosti personálu, který je provádí.
Jsou tedy ve velké míře poskytovány formou kooperace firmami přímo se zabývajícími touto problematikou, [20].
2.2.2 Materiál
Výběr materiálu je vzhledem k podmínkám, za kterých nástroj pracuje, složitý.
Do značné míry jsou kritériem pro uplatnění daného typu materiálu druh odlévané slitiny a velikost série. V zásadě musí splňovat tato kritéria: vysoké hodnoty meze kluzu a pevnosti za vyšších teplot, dobrá tepelná vodivost, nízký součinitel tepelné roztažnosti, stálost rozměrů po tepelném zpracování, odolnost proti erozivním účinkům lité slitiny a dobrou opracovatelnost.
Těchto vlastností lze u materiálu dosáhnout vhodnou kombinací legur. Mezi nejdůležitější legující prvky lze řadit C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, W, V, Co, Ti, [20], [22].
Obsah uhlíku by se měl pohybovat v rozmezí mezi 0,25 - 0,4% vzhledem ke kalitelnosti oceli. S narůstajícím obsahem uhlíku roste pevnost a klesá kontrakce a tažnost.
Křemík je v tuhém roztoku zodpovědný za eliminaci měknutí ocele.
V přítomnosti ostatních legur bývá jeho vliv zanedbatelný. Vyskytuje se v objemu max. 1%. Patří do skupiny vysoce feritotvorných prvků a v ocelích není schopen tvořit karbidy. Rozpustnost v Fe-α je velmi vysoká, svým rozpouštěním ve feritu zvyšuje jeho pevnost. Jeho vliv na prokalitelnost je v porovnání s manganem či chromem nižší. Transformační teplotu martenzitu posouvá do vyšších hodnot. Ocele legované křemíkem mají sklon k tvorbě vysokoteplotní popouštěcí křehkosti. Do obsahu 0,5%
není považován za leguru, ale za dezoxidační přísadu.
Mangan je při obsahu 0,2 - 0,6% v ocelářské praxi běžně přítomným austenitotvorným prvkem. U ocelí s velmi vysokým obsahem manganu (nad 35%) se vyskytuje austenit při pokojové teplotě. Tyto ocele jsou náchylné k hrubnutí zrna a je třeba při tepelném zpracování dbát přísných předpisů. Má nízkou difuzní rychlost a je schopný tvořit v omezené míře karbidy, žádným způsobem bohužel neovlivňuje odolnost proti popouštění.
Tuto odolnost v malém rozsahu ovlivňuje chrom, a to přibližně stejnou měrou, jako křemík. V těchto materiálech se aplikuje především za účelem zvýšení prokalitelnosti. Patří stejně jako mangan do skupiny feritotvorných prvků. Jeho část se rozpouští v kovové matrici, část je schopna tvořit s uhlíkem karbidy. Zvýšení prokalitelnosti je ale podmíněno rozpuštěním těchto karbidů při austenitizaci, protože za zvýšení prokalitelnosti stojí především chrom rozpuštěný v austenitu. Nerozpuštěné karbidy tvořené chromem působí jako krystalizační zárodky, které naopak schopnost prokalitelnosti snižují.
Hlavním účelem legování niklem je také zvýšení prokalitelnosti, ale s podstatně nižším účinkem, než např. chrom. Tento prvek je ale na rozdíl od chromu austenitotvorný a rozpouští se úplně v základní matrici. Tento prvek zvyšuje pevnost, ale méně než křemík či mangan. Je drahý a nárůst pevnosti není k jeho ceně přiměřený. Používá se nejvíce v případech, kdy je třeba zvýšit houževnatost, a to do 5%.
Dalším legujícím prvkem je molybden. Do ocelí se přidává pro svůj velký vliv na pevnost v tahu při vyšších teplotách. Kladný vliv má také na prokalitelnost. Je to feritotvorný prvek, částečně rozpustný v matrici, částečně tvořící karbidy. V kalících diagramech snižuje teplotu vzniku a ukončení tvorby martenzitu. Po zakalení ocele zvyšuje stabilitu martenzitu posunem rozpadu do vyšších teplot. Snižuje popouštěcí křehkost a je tedy pro své vhodné vlastnosti často používán jako náhrada za wolfram.
Wolfram je využíván při legování ocelí pro zvýšení pevnosti v tahu za působení vysokých teplot. Rozpouští se v cementitu a při vyšších teplotách tvoří samostatné karbidy. Prokalitelnost je zvyšována pouze množstvím wolframu rozpuštěného v austenitu. Dalším pozitivním vlivem je zjemnění lamel perlitu, což zapříčiňuje zvýšení pevnosti. Je velmi významnou legurou právě žáropevných ocelí.
Vanadem se oceli legují za účelem zpomalení růstu krystalů při vysokých teplotách. Ty jsou nutné pro přeměnu karbidů wolframu a molybdenu na tuhý roztok.
Zvyšuje pevnost v tahu za vysokých teplot. V ocelích tvoří za vysokých teplot velmi stabilní karbidy, jeho malá část se rozpustí v cementitu. Karbidy jsou velmi tvrdé, až 2500 HV. Při nízkých hodnotách podporuje tvorbu velmi jemných globulárních karbidů, které zabraňují hrubnutí austenitického zrna. Zvyšuje odolnost proti vodíkové korozi a je vhodným prvkem pro žáropevné ocele.
Kobalt je přidáván za účelem zpomalení rozpadu martenzitu (tedy nárůst odolnosti proti popouštění) a zvýšení rozpustnosti uhlíku v základní struktuře.
Posledním jmenovaným prvkem je titan tvořící velmi stabilní karbidy a nitridy.
Má schopnost v důsledku tvorby precipitátů ocel vytvrzovat. Zpomaluje růst krystalů a příznivě ovlivňuje odolnost proti měknutí při popouštění. Pro svou vysokou reaktivnost s kyslíkem a dusíkem může zvýšit procento nekovových příměsí v oceli, proto se u nástrojových ocelí téměř nepoužívá, [20], [22], [81].
Mezi nejčastější legury u ocelí používaných pro výrobu vysokotlakých licích forem pro odlévání slitin hliníku patří uhlík, křemík, chrom, molybden a vanad v obsahu dle tab. 2.
Tab. 2 Chemické složení za tepla pracujících nástrojových ocelí [14]
Značení dle ANSI % C % Si % Cr % Mo % V
H10 0,38 0,3 2,6 2,3 0,9
H11 0,38 0,3 5,0 1,3 0,5
H13 0,39 1,0 5,2 1,4 0,9
Patent UDEHOLM 0,35 0,2 5,0 2,3 0,6
Tyto ocele vynikají dobrou obrobitelností a poměrně jednoduchým způsobem tepelného zpracování. V průmyslové praxi jsou nejrozšířenější materiály dle DIN označované jako 1.2343 a 1.2344
Odolnost samotné oceli v provozu však není dána pouze chemickým složením, přestože hraje nezastupitelnou roli. Důležitý je též způsob jejího hutního zpracování, např. prokování, struktura a čistota (především jde o nízký obsah síry a fosforu), [13], [22].
Výchozí stav zrna materiálu, který je dán předchozím hutním zpracováním, by měl být dostatečně jemný. Důsledkem jemnozrnné struktury jsou vyšší mechanické vlastnosti a především jejich homogenita. V průřezu materiálu by se neměly vyskytovat shluky karbidů, vměstky a ve velké míře jiné druhy struktur. Nebezpečná je zvláště přítomnost eutektických karbidů. Jejich odstraněním je možné zvýšit vrubovou houževnatost téměř 10x. Proto se před jakýmkoliv zpracováváním doporučuje provést homogenizační žíhání s tím, že je třeba brát v potaz nebezpečí zhrubnutí zrna, [5].
2.2.3 Zhotovení dutiny
Formy pro lití kovů se zpravidla vymykají svou tvarovou složitostí a rozměrovou přesností konvenčním dílcům. Pro jejich zhotovení se v dnešní době nejčastěji používá výkonných obráběcích CNC center schopných vysokorychlostního frézování.
Velmi přesné a složité tvary nelze v některých případech obrábět konvenčními metodami a tak se ve velkém množství používá elektroerozivního obrábění (EDM).
Jde o obrábění pomocí nástroje (elektrody) v těsné blízkosti obráběného povrchu, na který je přivedeno elektrické napětí s pulzujícím průběhem. Rychle periodicky se opakujícím jiskrovým výbojem uvnitř kapalného dielektrika (médium s vysokým elektrickým odporem) dochází k pohybu volných kladných a záporných iontů v místě s nejsilnějším napěťovým elektrickým polem. Ty zrychlují a dosahují poměrně vysokých hodnot rychlosti. Takto se vytvoří izolovaný vodivý kanál, díky kterému začíná mezi elektrodami protékat elektrický proud. V takovém plasmovém pásmu se pohybuje teplota mezi 3 000 - 12 000°C. Dochází k odpařování a tavení elektrod.
Současně s materiálem se odpaří i dielektrikum. Tím vznikne plynová bublina o vysokém vnitřním tlaku. Následně je přerušen výboj. Tento jev následuje pokles teploty a imploze bubliny. Do tohoto prostoru ihned vniká dielektrikum, které svou dynamickou silou vymrští natavený materiál z kráteru. Ten je dielektrikem ochlazen a odváděn z místa obrábění. Povrch po EDM je charakteristický povrch zvrásněn drobnými krátery. Elektrody se velmi často vyrábí z grafitu, který se pomocí frézky tvarově upraví do požadovaného tvaru. Výhodou tohoto procesu je to, že lze obrábět jakýkoliv vodivý materiál o vysokých mechanických vlastnostech. Už jen tato vlastnost předurčuje tento proces k obrábění nástrojových ocelí. Mezi další výhody patří malá tepelně ovlivněná oblast po řezu, a protože nedochází k mechanickému kontaktu mezi nástrojem a obrobkem, je zde absence mechanických zatížení a s nimi spojenými deformacemi. Vzhledem k časové náročnosti je tato metoda nákladnější než konvenční způsoby výroby dutin formy, [29].
Další progresivní metodou tvorby především jader je laserové sintrování. Firma LASER CONCEPT GmbH představila nástrojovou ocel vhodnou pro práci za tepla s vlastnostmi ekvivalentními oceli 1.2709, kterou lze laserem sintrovat. Jde o generativní výrobní postup, kdy se prášek k sobě spéká po vrstvách 20-50 µm. Zatím jde technicky o jediný v praxi ověřený systém tvorby jader, který umožňuje tvorbu temperančních kanálů v konstantní vzdálenosti od líce formy. Výroba kanálů v izotermních plochách umožňuje snížit pórovitost a zrychlí rapidně proces chlazení.
Další výhodou je vysoká míra zužitkování materiálu, jedná se totiž o technologii bez produkce odpadu (třísek) a veškerý materiál se plně zužitkuje, [30].
V současné době se stále nejvíce užívá třískového obrábění, které má výborný poměr ceny vzhledem k výrobnímu času. Při přípravě na obrábění musíme dutinu nejdříve hrubovat, tj. vytvořit pracovní dutinu zmenšenou o přídavek na dokončovací operace. V průběhu hrubování se dosahuje vyšších řezných rychlostí při vysokých
úběrech materiálu, dochází tedy k vnášení větších vnitřních pnutí. Po hrubování musí být materiál vyžíhán pro snížení vnitřního pnutí (podrobněji popsáno v kapitole 3.2.4 - žíhání ke snížení pnutí po hrubování).
Poté se přikročí k dokončovacímu obrábění a doladění požadovaných rozměrů pomocí jemného obrábění na čisto, dobrušování a leštění. Vnitřní napětí je třeba co nejvíce eliminovat, především použitím vhodných řezných kapalin či nižších řezných rychlostí, [7].
Pro obrábění je optimální struktura s rovnoměrným rozložením karbidů ve tvaru kuliček umístěných v měkké popuštěné feritické struktuře s co nejnižší tvrdostí.
(160-180 HB), [17].
2.2.4 Tepelné zpracování
Jak již bylo uvedeno, je tepelné zpracování pro zajištění dlouhé životnosti nástroje klíčovou záležitostí. Jeho provedení podle velmi pečlivě vysledovaných kalících křivek vede k ideální kombinaci vysokých mechanických vlastností, např.
nárůst tvrdosti, pevnosti ale zároveň i vrubové houževnatosti. V případě rozměrnějších nástrojů jde o z finančního hlediska nemalou položku a často bývá podceňováno, přestože může zajistit až několikanásobně prodlouženou životnost tohoto nástroje.
Standardní průběh tepelného zpracování začíná homogenizačním žíháním, dále pak žíháním pro snížení pnutí po hrubování, kalením a několikanásobným popuštěním.
Tepelné zpracování by mělo být provedeno poprvé již před obráběním dutiny a mělo by jít o homogenizační žíhání. Je zde zařazeno za účelem rovnoměrného rozložení uhlíku a dalších legujících prvků. V takto rozměrných polotovarech nelze totiž zajistit homogenní chemické složení a může zde dojít ke shlukování prvků a v důsledku tohoto jevu i ke snížení mechanických vlastností. V tomto případě jde o ohřev na teploty kolem 1100°C s dlouhou výdrží na této teplotě. Z důvodu zhrubnutí zrna se velmi často za tento typ žíhání zařadí žíhání normalizační, které zrno zjemní.
Další tepelné zpracování často následuje po skončení první fáze obrábění dutiny, a to žíhání ke snížení pnutí po hrubování. V průběhu tohoto tepelného zpracování dojde vlivem teploty ke snížení meze kluzu materiálu a to umožní materiálu vykonat lehkou distorzi spojenou s relaxací vnitřních napětí, viz obr. 16.
Prakticky je provedeno ohřevem v peci na 550-700°C s tím, že na této teplotě setrvá, než bude prohřátý celý průřez nástroje, ne však déle než 2-3 hodiny (je třeba zabránit hrubnutí zrna). Následuje relativně pomalé ochlazení, aby se předešlo vnášení větších tepelných pnutí vzniklých rozdílným chlazením středu a okrajů formy. Pokud je toto tepelné zpracování provedeno chybně, či zcela ignorováno, tak pnutí v kombinaci s vruby a poškozením povrchu od obráběcích nástrojů, je často příčinou předčasnému selhání nástroje. Zvláště markantní je to především u osově nesymetrických tvarů.
Obr. 16 Diagram meze kluzu v závislosti na žíhací teplotě (A), Pokles meze kluzu v závislosti na teplotě se zvýrazněnou oblastí vzniku distorze (B) [7]
Po dokončení jemného obrábění je nástroj kalen. Principem tohoto zpracování je ohřev materiálu do oblasti austenitu, kde je rozpustnost uhlíku větší než v oblastech feritu. Následuje dostatečně rychlé ochlazení způsobující to, že atomy uhlíku nemají dostatek času k přemístění a tvorbě feritické struktury. Zůstávají uvězněny v mřížce bez dostatku prostoru a vytvářejí tak mikronapětí způsobující zvýšení mechanických vlastností. Tato struktura přesyceného tuhého roztoku uhlíku v železe se nazývá martenzit. Po jednoduchém kalení obsahuje struktura též karbidy a zbytkový austenit, jehož podíl se zvětšuje s množstvím legujících prvků, vyšších kalících teplot a pomalejšího ochlazování. Takto upravený materiál obsahuje velké množství napětí a je velmi náchylný k praskání a je tedy nezbytné dalších tepelných úprav.
V průmyslové praxi tento proces začíná ohřevem materiálu na kalící teplotu. Je třeba jej ohřívat dostatečně pomalu, aby se zabránilo vzniku vnitřních pnutí, avšak dostatečně rychle za účelem předejití zhrubnutí zrna, [7]. Křivka ohřevu je specifikována materiálovým listem výrobce a je odvislá od složení materiálu. Další doporučení ohledně ohřevu specifikuje návodka NADCA s ohledem na materiálové normy, cílovou tvrdost, velikost zrna atd. Ohřev na austenitizační teploty začíná první etapou z pokojové teploty do 590-680°C a pokračuje dále až poté, co teplotní diference mezi středem formy a lícem neklesne pod 110°C (tento údaj je velmi benevolentní, v praxi je rozdíl mnohem nižší!). Následuje druhá etapa, při které je dosaženo teploty mezi 815 a 860°C. Do třetí etapy není možné vstoupit, dokud při dané teplotě nebude rozdíl teplot v celém objemu menší než 14°C. Cílovou teplotou je 1030°C, na kterých je třeba setrvat minimálně 30 minut od doby, co při této hodnotě dosáhneme maximální diference 14°C v celém průřezu formy, ale maximálně 90 minut od dosažení 1030°C na povrchu formy. K monitorování tohoto složitého postupu ohřevu slouží navrtané termočlánky rozmístěné v nástroji. Dodržením těchto kritérií předejde výrobce hrubnutí zrna a vnášení vnitřních pnutí. Příklad profilu křivky ohřevu dle návodky NADCA je uveden na obr. 17.
A B
Obr. 17 Příklad profilu křivky ohřevu dle návodky NADCA [2]
Následně je možné přistoupit ke kalení. Snahou je maximálně eliminovat vnitřní pnutí, proto je voleno izotermické kalení. Z austenitizační teploty je v první fázi, tedy do 540°C, ochlazováno rychlostí 28°C/min. Izotermická pauza je ukončena v případě, že rozdíl teplot v průřezu je menší než 110°C, teplota povrchu klesne pod 400°C, či trvá déle než 30 minut. Ve druhé fázi pokračuje chlazení rychlostí 28°C/min (např. u GM je to rychlost 39°C/min) do chvíle, než dosáhneme 150°C uvnitř formy, ne však méně než 50°C na líci formy. Tvar kalící křivky je kompromisem mezi vnášením vnitřního pnutí a prevencí před vznikem perlitické struktury, [2].
Materiál je nyní enormně křehký vlivem vysokých hodnot vnitřních pnutí. Musí neprodleně nastat popouštění ještě předtím, než teplota formy klesne pod 33°C.
V případě převozu či čekání na popouštění musí být materiál dohříván, [2].
Popouštění je předepsáno z důvodů snížení množství zbytkového austenitu, který se v průběhu kalení nepřeměnil. Snahou je zbytkový austenit co nejvíce eliminovat, protože je zdrojem deformací a vnitřních pnutí (v průběhu aplikace nástroje je přeměňován na martenzit), navíc je tato struktura výrazně měkčí a snižuje celkovou pevnost nástroje. Popouštění je možné realizovat dvěma postupy a to na vysoké či nízké teploty. Výběr ovlivňují proměnné, jako jsou konečné mechanické vlastnosti a přípustná deformace (odstraňuje se konečným obráběním). Popouštění na vysoké teploty zaručuje oproti popouštění na nízké teploty výrazně snížený obsah zbytkového austenitu a s ním spojený narůst pevnosti v tlaku, vyšší rozměrovou stabilitu při tepelném zatížení a vyšší tepelnou vodivost. U vysoce legovaných ocelí dojde k precipitaci karbidů, tedy i ke zvýšení odolnosti proti opotřebení. Bohužel je zde
vyšší sklon ke korozi. Pokud se forma obráběla pomoci EDM, je popouštění na vysoké teploty nezbytné.
Předpis stanovuje minimálně dvounásobné popouštění a v případě složité geometrie, velkých průřezů či vysokých nároků na rozměrovou stabilitu, i trojnásobné.
Na obr. 19 je uveden příklad rozložení struktur v závislosti na počtu popouštění.
Obr. 18 Příklad profilu kalící křivky dle návodky NADCA [2]
Obr. 19 Příklad rozložení struktur v závislosti na počtu popouštění Veškeré tepelné zpravání je vhodné provádět v pecích s inertní atmosférou či vakuu, neboť dochází při vysokých teplotách k oduhlčování a oxidaci, [7].
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
1 2 3 4 5
Rozložení struktur v závislosti na počtu popouštění
Zbytkový austenit Temperovaný martenzit Martenzit
Austenit Stav materiálu : 1 - kalící teplota 2 - po kalení
3 - první popouštění 4 - druhé popouštění 5 - třetí popouštění
2.2.5 Aplikace nástroje
Aby mohla být spuštěna sériová výroba, je třeba každý nový nástroj tzv.
vzorkovat. Jde o hledání vhodné kombinace technologických parametrů s cílem vytvořit odlitek o požadované kvalitě při nastaveních šetřících nástroj. Dříve byl nástroj zprvu většinou vyroben s relativně malými přetoky a odvzdušněním, které bylo v průběhu vzorkování možné zvětšovat s cílem optimálního odvzdušnění. Stejně tak zářezy byly vyrobeny menším průřezem, který byl dodatečně upravován. Dnes se velmi často využívá simulačních programů minimalizujících riziko úprav po tepelném zpracování a tím pádem se snižuje čas potřebný na vzorkování.
První odlité kusy jsou podrobeny kontrole rozměrů, hmotnosti, struktury (porezity), popř. těsnosti atd. Termokamerou jsou sledovány v průběhu vzorkování teplotní pole a optimalizuje se nastavení tlaku, rychlosti pístu a termoregulace, [20].
2.3 Principy opotřebení forem
Opotřebení nástrojů je nezbytná negativní součást jejich života. I přes veškeré snahy o maximální životnost se na materiálu projeví vady, které jsou důsledkem těchto opotřebení. Opotřebení obecně vede ke ztrátě požadované funkční způsobilosti, negativně ovlivňuje kvalitu a náklady na výrobní proces. Je to nežádoucí změna rozměrů či jakosti funkčních povrchů tuhých těles způsobená buď vzájemným působením těchto povrchů, nebo funkčního povrchu a média. Projevem je často odstraňování či přemisťování částic hmoty funkčního povrchu
V provozu je tlaková licí forma velmi intenzivně namáhána. Na jejich životnost má největší vliv tepelná únava, adheze, eroze a abraze. Dělení těchto druhů opotřebení je v různých literaturách popisováno různým způsobem a některé vlivy spolu velmi úzce souvisí (např. často se do erozivního opotřebení zahrnuje kavitační, někde je však uváděno jako samostatný princip). Ve standardních podmínkách se téměř vždy setkáme se situací, kdy působí na jednu oblast současně více principů opotřebení, např. tvorba kavit tepelnou únavou v kombinaci s adhezí, [26].
Opotřebení tlakové licí formy je ovlivněna konstrukcí, volbou materiálu, způsobem výroby, tepelným zpracováním a podmínkami v provozu, [27].
2.3.1 Tepelná únava
Životnost forem vystavených vysokým teplotám je velmi často určena jejich teplotně-únavovými vlastnostmi. Tepelná únava vzniká díky expanzi či kontrakci v důsledku změny teplot a projevuje se tvorbou trhlin na povrchu spojujících se do sítí.
Vlivy, které ji způsobují, lze rozdělit na externí a interní. U externího vlivu vzniká napětí vyvolané externí silou za cyklického ohřevu a ochlazování. Interní vliv je důsledek velkého teplotního gradientu v řezu, který způsobuje neschopnost materiálu šířit teplo dostatečně rychle v odezvě na vlivy vnějšího prostředí (může být způsobeno anizotropií, tj. různými koeficienty dilatace v sousedních fázích atd.).
Tepelná únava je důsledkem funkce vnitřních vlivů a bývá definována jako tepelně
