VLIV TECHNOLOGICKÝCH PARAMETRŮ NA ROZMĚROVOU STABILITU VYSOKOTLAKÝCH ODLITKŮ

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní

VLIV TECHNOLOGICKÝCH PARAMETRŮ NA ROZMĚROVOU STABILITU VYSOKOTLAKÝCH ODLITKŮ

Diplomová práce

Václav Štrobach

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní

Studijní program M2301 – Strojní inženýrství

Strojírenská technologie zaměření strojírenská metalurgie

Katedra strojírenské technologie Oddělení strojírenské metalurgie

Vliv technologických parametrů na rozměrovou stabilitu vysokotlakých odlitků

Influence of technological parameters on the dimensional stability of high-pressure castings

Václav Štrobach KSP – SM – 528

Vedoucí diplomové práce: prof. Ing. Iva Nová, CSc. – TU v Liberci Konzultant diplomové práce: Ing. Jan Štverák – KSM Castings CZ s.r.o

Ing. Iva Nováková, Ph.D. – TU v Liberci

Rozsah práce a příloh:

Počet stran: 68 Počet tabulek: 16 Počet příloh: 8

Počet obrázků: 24 Datum: 25.5 2007

A N O T A C E

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta strojní

Katedra strojírenské technologie Oddělení strojírenské metalurgie

Studijní program: M2301 – Strojní inženýrství Diplomant: Václav Štrobach

Téma práce: Vliv technologických parametrů na rozměrovou stabilitu vysokotlakých odlitků

Influence of technological parameters on the dimensional stability of high-pressure castings

Číslo DP: KSP – SM - 528

Vedoucí DP: prof. Ing. Iva Nová, CSc. – TU v Liberci Konzultant: Ing. Jan Štverák – KSM Castings CZ s.r.o

Ing. Iva Nováková, Ph.D. – TU v Liberci Anotace:

Tato diplomová práce se zabývá problematikou vlivu technologických parametrů na rozměrovou stabilitu vysokotlakých odlitků. Pro zjištění vlivu technologických parametrů (tj. teploty odlévané taveniny, pracovní teploty formy, rychlosti plnění 2.fáze a doby tuhnutí) na rozměrovou stabilitu byl naplánován a uskutečněn experiment. Na základě výsledků z experimentu bylo navrženo řešení ve formě výběru optimálních technologických parametrů, pro které byla provedena korekce tlakové licí formy.

Anotation:

This diploma thesis deals with the issue of influence of technological

parameters on the high-pressure casting dimensional stability. To determine the

extent of the influence of the technological parameters (i.e. the temperature of the

melting, the working temperature of the mould, speed under which the second

phase is filled and the hardening period) on the dimensional stability an

experiment has been prepared and performed. Based on the results from this

experiment a solution was proposed in the form of selection of optimal

technological parameters according to which the adjustment of high-pressure cast

mould would be carried out.

Místopřísežné prohlášení:

Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně s požitím uvedené literatury.

V Liberci, 25. května 2007

………..

Václav Štrobach Boreč – Žebice 64

29426 Skalsko

Poděkování

Děkuji všem, kteří svou podporou a pomocí přispěli k vypracování této diplomové práce, zvláště prof. Ivě Nové, Csc. a Ing. Ivě Novákové, Ph.D. za pomoc a odborné rady. Dále bych chtěl poděkovat pracovníkům technologického úseku firmy KSM Castings CZ s.r.o za pomoc při provádění experimentu.

V Liberci, 25. května 2007

………..

Václav Štrobach Boreč – Žebice 64

29426 Skalsko

OBSAH

SEZNAM POUŽITÝCH ZNAČEK A SYMBOLŮ ... 9

1. ÚVOD ... 11

2. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE... 13

2.1 Rozměrová stabilita odlitků ... 13

2.2 Technologie vysokotlakého lití ... 16

2.2.1 Tlakové licí stroje se studenou horizontální licí komorou ... 16

2.2.2 Tlaková licí forma ... 20

2.2.3 Konstrukce odlitku ... 23

2.2.4 Tlak ve slévárenské formě ... 23

2.3 Slévárenské slitiny pro tlakové lití ... 24

2.3.1 Slitiny pro tlakové lití na bázi Al-Si... 25

2.4. Objemové změny při tuhnutí odlitku... 29

2.4.1 Smršťování v tekutém stavu... 31

2.4.2 Smršťování při krystalizaci ... 31

2.4.3 Smršťování v tuhém stavu... 32

2.4.4 Celkové objemové smrštění ... 34

2.5 Napjatost v odlitcích... 34

2.5.1 Smršťovací napět ... 35

2.5.2 Vnitřní pnutí tepelná a fázová... 35

2.6 Zařízení použité pro kontrolu rozměrů tlakově litých odlitků ... 38

2.6.1 Konstrukce SMS... 39

2.6.2 Princip souřadnicových měřících strojů ... 40

3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST PRÁCE ... 41

3.1 Experimentální sledování rozměrové přesnosti tlakových odlitků ... 42

3.1.1 Naplánování experimentu ... 42

3.2 Charakteristika použitých zařízení pro experimenty ... 44

3.2.1 Popis použitého tlakového stroje... 44

3.2.2 Řídící systém RSE 10.52 ... 46

3.2.3 Tlaková licí forma ... 47

3.2.4 Termoregulační zařízení THERMOBIEHL... 47

3.2.5 Odlévaná slitina... 48

3.2.6 Tlakový odlitek používaný pro experiment ... 49

3.2.7 Měřící přístroj LH 65 WENZEL PRÄZISION GmbH ... 51

3.3 Výroba tlakových odlitků ... 54

3.4 Měření rozměrů vyrobených odlitků na měřícím přístroji LH 65 ... 55

3.5 Zpracované výsledky ... 56

3.5.1 Výběr optimálních licích parametrů ... 58

3.6 Simulační výpočty plnění formy a tuhnutí odlitků ... 60

4. DISKUSE VÝSLEDKŮ ... 62

5. ZÁVĚR ... 67

SEZNAM LITERATURY ... 68

SEZNAM POUŽITÝCH ZNAČEK A SYMBOLŮ

c

index způsobilosti [ - ]

l

rozměr odlitku při teplotě solidu [m]

l

rozměr ochlazeného odlitku [m]

LSL dolní toleranční mez [ - ]

Q celkové teplo odlitku [J]

Q

teplo odvedené chladícím systémem [J]

Q

teplo odvedené do okolí prouděním [J]

Q

teplo odvedené do okolí sáláním [J]

Q

teplo odvedené upevňovací deskou a rámem stroje [J]

r

kritická velikost zárodku [m]

S

plocha příčného průřezu dutiny formy [m

]

S

plocha zářezu tlakové licí formy

[m

]

T

teplota formy [°C]

T

teplota likvidu [°C]

T

teplota lití [°C]

T

teplota okolí [°C]

T

teplota solidu [°C]

t

doba tuhnutí [s]

USL horní toleranční mez [ - ]

V

plnící rychlost [m.s

]

V

objem odlévaného kovu při teplotě lití [m

]

V

objem nálitku [m

]

V

objem mikrostaženiny [m

]

V

objem ztuhlého odlitku při teplotě okolí T

[m

]

V

objem odlitku [m

]

V

objem soustředěné staženiny [m

]

V

objem staženiny [m

]

α

součinitel objemového smrštění při krystalizaci [°C

]

α

součinitel objemového smrštění v tekutém stavu [°C

]

α

součinitel objemového smrštění v tuhém stavu [°C

]

β součinitel stahování [ - ]

σ směrodatná odchylka [ - ]

δ

tloušťka zářezu tlakové licí formy [m]

δ

tloušťka stěny tlakového odlitku [m]

ε

lineární smrštění v tuhém stavu [ - ]

ε

celkové objemové smrštění [ - ]

ε

objemové smrštění při krystalizaci [ - ]

ε

objemové smrštění v tekutém stavu [ - ]

ε

objemové smrštění v tuhém stavu [ - ]

1. ÚVOD

S rozvojem automobilového a elektrotechnického průmyslu ve 20.

století je spojen rozvoj technologie vysokotlakého lití, která umožňuje výrobu tenkostěnných, tvarově velmi členitých odlitků s vysokou rozměrovou přesností a jakostí povrchu.

Při této technologii tavenina vyplní dutinu kovové formy vysokou rychlostí v krátkém čase a následně v ní tuhne za působení vysokého tlaku, tzv. dotlaku (cca 60 až 100 MPa).

Výhody vysokotlakého lití spočívají ve vysoké tvarové a rozměrové přesnosti odlitků, jejich vysoké jakosti povrchu, jejich dobrých mechanických vlastnostech, vysoké produktivitě práce, hospodárném využití tekutého kovu atd.

Mezi její nevýhody se řadí vysoké pořizovací náklady na tlakové licí stroje, vysoké náklady na zhotovení tlakové licí formy atd. Značnou nevýhodou této technologie je vnitřní porezita odlitků. Při plnění dutiny tlakové licí formy proudící tavenina uzavírá vzduch z tlakové licí komory, který už nemůže uniknout a zůstává v odlitku. Následným dotlakem, který působí na tuhnoucí taveninu, je velikost vzduchových bublin redukována na malou velikost - vznikají velice malé bublinky rozptýlené po celém objemu odlitku. Porezita vede k netěsnosti odlitků a ke snížení jejich mechanických vlastností. Tuto nevýhodu do jisté míry eliminují různé úpravy této technologie, např. lití ve vakuu, squeeze casting atd.

V ČR v současné době zaujímá technologie tlakového lití slitin hliníku cca 45% z celkové produkce odlitků ze slitin hliníku, viz obr. 1-1 a jeho podíl neustále vzrůstá.

Obr.

1-1

Procentuální zastoupení jednotlivých metod výroby odlitků ze slitin hliníku [6]

Pro zajištění ekonomičnosti výroby je vždy nutné uzpůsobit geometrii odlévaného dílu použité technologii. Cílem je, aby při výrobě odlitků mohly být pro

50%

5%

45%

gravitační lití do kovových forem gravitační lití do pískových forem tlakové lití

zajištění jejich optimální kvality využity všechny výhody použité technologie.

Jedním z hlavních předpokladů kvalitní výroby je rozměrová stabilita (rozměrová stálost) odlitků.

Toto problematikou se zabývá i tato diplomová práce. Jejím cílem je

stanovení optimálních licích parametrů pro zajištění rozměrové stability

konkrétního odlitku.

2. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE

2.1 Rozměrová stabilita odlitků

Rozměrová stabilita (stálost) je jednou z hlavních předpokladů kvalitní výroby, tj. odlitky mají požadované rozměry, jakost povrchu, mechanické vlastností atd.

V praxi je rozměrová nestabilita odlitků dána superpozicí geometrické a objemové nestability. Při sledování rozměrové nestability je nutné brát v úvahu obě složky jako celek, protože je mezi nimi velmi úzká vazba [11].

Geometrická nestabilita se projevuje především změnou vnějšího tvaru odlitku, přičemž velikost této změny je závislá na řadě faktorů. Jedním z hlavních příčin geometrické nestálosti je pnutí I. řádu, tzv. makroskopické pnutí. Jeho hlavní příčinou je nerovnoměrné ochlazování odlitku. Porušení rovnovážného stavu vnitřní napjatosti vyvolává deformaci odlitku a tím i změny jeho geometrického tvaru. Velikost a průběh deformace závisí především na velikosti a rozložení vnitřního pnutí. Dalším zdrojem vnitřního pnutí mohou být také strukturní změny probíhající v tuhém stavu. V případě hliníkových slitin je však toto pnutí zanedbatelné, protože vznik přesyceného tuhého roztoku a strukturní změny související s jeho rozpadem, mohou vyvolat pouze pnutí vyšších řádů. Při sledování geometrické nestability lze však pnutí vyšších řádů zanedbat [1].

Objemová nestabilita se projevuje objemovými změnami, tj. změnou

všech tří charakteristických rozměrů, jejichž příčinou jsou strukturní změny

materiálu. Lze obecně předpokládat, že změna rozměrů ve všech třech směrech

bude stejná, tzn. že bude docházet buď k rovnoměrné expansi nebo kontrakci

odlitku, aniž by se měnil jeho tvar. Hlavním důvodem objemové nestability jsou

strukturní změny (např. precipitace), případně energetické změny, které způsobují

změny parametru základní krystalické mřížky. Proto je nutné dosáhnout stabilní

struktury, která vede k objemové stabilitě odlitku [1].

Při vysokotlakém lití působí na rozměrovou stabilitu odlitků mnoho faktorů.

Na obr. 2-1 jsou uvedeny základní faktory, které se projeví na rozměrové stabilitě vysokotlakého odlitku a na obr. 2-2 je uveden komplexní rozbor této problematiky podle Ishikawova diagramu.

Obr. 2-1 Schéma vlivů působících na utváření tlakového odlitku Licí stroj

Tavenina Dotlak

Tlak v tlakové licí formě Tlakový odlitek:

• Geometrie odlitku

• Smršťování odlitku

Tlaková licí forma:

• Dimenze formy (tuhost)

• Materiál formy

• Odvzdušnění formy

• Ošetření líce formy

• Tepelné poměry ve formě

• Vtoková soustava

O b r. 2 -2 I s h ik a w ů v d ia g ra m

2.2 Technologie vysokotlakého lití

Jak již bylo uvedeno, tato technologie spočívá ve vyplnění dutiny tlakové licí formy v krátkém čase, kde následně tavenina tuhne za působení vysokého tlaku, tzv. dotlaku. Technologie vysokotlakého lití se používá pro výrobu odlitků ze slitin neželezných kovů (např. slitin Al, slitin Zn, slitin Mg atd.).

Celý proces tlakového lití je realizován na tlakových licích strojích, které musí svou konstrukcí společně s konstrukcí tlakové licí formy zajišťovat správné licí parametry, které jsou nutnou podmínkou pro kvalitní výrobu.

Tlakové licí stroje jsou podle konstrukce děleny na stroje s teplou a se studenou licí komorou. U strojů s teplou licí komorou je licí komora v přímém spojení s prostorem udržovací pece, tzn. že po celou dobu je vystavena vysoké teplotě taveniny. Z tohoto důvodu jsou tyto tlakové licí stroje používány pro odlévání nízkotavitelných slitin, tj. slitin zinku, cínu a olova.

U strojů se studenou licí komorou není udržovací pec součástí stroje.

Dávkovacím zařízením je tavenina z udržovací pece dopravována do licí komory před každým vstřikem. Stroje tohoto typu jsou používány pro odlévání slitin hliníku a hořčíku. Podle polohy licí komory se tyto stroje rozdělují na stroje s vertikální a horizontální studenou licí komorou. Dlouhodobý vývoj tlakových licích strojů dal přednost strojům s horizontální licí komorou [11].

2.2.1 Tlakové licí stroje se studenou horizontální licí komorou

U těchto strojů je licí (plnící) komora uložena horizontálně. Je opatřena

otvorem pro nalévání taveniny a je spojena s dutinou tlakové licí formy. Uvnitř licí

komory se pohybuje licí píst. Při plnění licí komory taveninou je licí píst v zadní

poloze. Při pohybu pístu dopředu je kov vtlačován do dutiny formy. Po ukončení

fáze lisování a tuhnutí (probíhá za působení dotlaku) se forma otevře, píst vysune

zbytek kovu (tabletu) z licí komory. Pomocí hydraulického vyhazovacího systému

dojde k vyhození tzv. výpadu (nalití) z pohyblivé poloviny tlakové licí formy a jeho

následnému vyjmutí. Následuje ošetření tvarové dutiny tlakové licí formy, po

kterém se licí píst vrátí zpět do výchozí polohy [11].

Obr. 2-3 Schéma horizontální licí komory

Pracovní cyklus tlakového licího stroje je složen z následujících operací:

• Uzavření tlakové licí formy včetně zajetí pohyblivých jader a namazání licího pístu;

• Dávkování přesného množství taveniny do tlakové licí komory;

• Lisování – naplnění dutiny tlakové licí formy taveninou;

• Tuhnutí odlitku za působení dotlaku;

• Otevření tlakové licí formy a vytažení případných pohyblivých jader;

• Vyhození odlitku z tlakové licí formy pomocí vyhazovačů;

• Ošetření líce formy separačním prostředkem;

• Náběh dalšího licího cyklu.

Konstrukce tlakových licích strojů zajišťuje uzavírání tlakových licích forem

a vlastní lisování taveniny.

Uzavírací mechanismus tlakových licích strojů je většinou hydraulický s kloubovým mechanismem. Pokud uzavírací mechanismus nezajistí dokonalé uzavření částí formy, dojde k tzv. prostřiku taveniny do dělící roviny licí formy, což má za následek nedodržení rozměrové přesnosti odlitků. Na rozměrovou přesnost odlitku má vliv i geometrie tlakových licích strojů – projeví se na ní i nerovnoběžnost upínacích desek stroje (tzv. prsa stroje) pro upnutí pevné a pohyblivé části licí formy.

Lisovací část licího stroje je ve většině případů ovládána hydraulicky, tzn.

tlak hydraulické kapaliny působí přímo na plochu lisovacího pístu a tím umožňuje dosažení lisovací rychlosti a následného dotlaku.

Dodržování nastavených hodnot rychlostí licího pístu a dotlaku je rozhodující pro dosažení vysoké kvality odlitků. Tlakové licí stroje současné generace disponují moderním řídícím systémem, který umožňuje i řízení v reálném čase, např. nastavení požadovaných hodnot rychlostí licího pístu během jeho dráhy v licí komoře lze rozdělit do více kroků. Samozřejmou součástí řídících systémů je paměť, ve které se uchovávají všechny potřebné licí parametry pro pozdější zpětnou kontrolu.

Vlastní lisování probíhá ve třech fázích :

• Předplnění – od začátku pohybu licího pístu do okamžiku sepnutí plnící rychlosti;

• Plnění – od okamžiku sepnutí plnící rychlosti do zastavení licího pístu;

• Dotlak – doba, po kterou působí zvýšený tlak.

Parametry tlakového licího stroje:

• Vstřikovací rychlost – Tavenina je pomocí lisovacího mechanismu vtlačována přes zářez vtokové soustavy vysokou rychlostí do dutiny formy.

Rychlost proudění taveniny v zářezu (rychlost plnění) a poměr příčného

průřezu vtokového zářezu S

a příčného průřezu dutiny formy S

, do které

je vtokový zářez zaveden, ovlivňuje způsob plnění tlakové licí formy.

o Plnění formy laminárním proudem - nastává při rychlosti plnění menší než 0,3 m.s

a poměru tloušťky zářezu a tloušťky stěny odlitku

2 1 δ

δ

odl.

z

> ÷

3

2 . Při těchto podmínkách se plní dutina formy

postupně od zářezu ke stěně proti zaústění zářezu. Směr a charakter plnění zajišťují dokonalé odvzdušnění, což má za následek snížení výskytu porezity v odlitku. Laminární plnění se využívá u odlitků jednoduchých tvarů s větší tloušťkou stěn [4].

o Plnění formy souvislým turbulentním proudem – nastává při zvýšení plnící rychlosti na 0,5 ÷ 15 m.s

a při poměru příčného průřezu vtokového zářezu S

a příčného průřezu dutiny formy S

, do které je vtokový zářez zaveden

4 1 S

S

odl.

z

> ÷

2

1 . Při těchto

podmínkách proud taveniny narazí na protější stěnu, rozdělí se na dvě části tekoucí opačným směrem, než proud taveniny vstupuje do dutiny formy. Dutina formy se plní ve směru od stěny formy proti zářezu, směrem k zářezu. V tomto případě je velice obtížné zajistit odvzdušnění formy. V odlitcích se potom vyskytují nekovové vměstky (oxidy) a bubliny (vzduch a plyny), které turbulentní proud strhl [4].

o Disperzní plnění formy – nastává při rychlosti plnění nad 25÷30

m.s

a při poměru

4 1 S

S

odl.

z

< ÷

2

1 . Při těchto podmínkách dochází

k nárazu taveniny na stěnu proti zářezu. Síla nárazu je velká a tavenina se roztříští na velké množství kapek, které tvoří se vzduchem v dutině formy disperzní směs. Forma se plní téměř současně v celém objemu postupným zhušťováním disperzní směsi.

Zachycené nekovové vměstky, vzduch a plyny zůstanou v odlitku, jsou však drobné a rovnoměrně rozložené ve stěně odlitku.

Nevýhodou disperzního plnění formy je vysoký erozivní účinek

proudu taveniny na jádra a stěny formy a u slitin hliníku i nalepování

slitiny na formu. Tento způsob plnění umožňuje výrobu

tenkostěnných, tvarově složitých odlitků [4].

• Vstřikovací síla – vzniká v lisovacím ústrojí tlakového licího stroje působením pracovního tlaku na lisovací píst. Lisovací píst je tvořen pístnicí s licím pístem, který tlačí taveninu přes vtokovou soustavu do dutiny formy.

• Dotlak - je konečná fáze lisování, kdy na tuhnoucí taveninu v dutině formy působí prostřednictvím licího pístu zvýšený tlak o konstantní hodnotě cca 60 – 100 MPa. Dotlak zajišťuje dosazování taveniny do dutiny formy a tím zmírňuje vzniklé vady v odlitku (např. staženiny a pórovitost). Při působícím dotlaku dochází k tuhnutí taveniny pod tlakem. Velikost dotlaku a plocha odlitku v dělící rovině určuje velikost potřebné uzavírací síly tlakového licího stroje.

2.2.2 Tlaková licí forma

Na kvalitu vysokotlakých odlitků má rozhodující vliv konstrukce tlakové licí formy. Chyby vzniklé při konstrukci forem, které se zjistí teprve při lití zkušebních vzorků, se velmi špatně napravují. Pro správnou konstrukci forem existují určité zásady a doporučení. V současné době je při konstrukci tlakových licích forem nepostradatelným pomocníkem počítačová simulace.

Hlavní zásady konstrukce tlakové licí formy [11].

1. Správná volba a řešení vtokové soustavy.

2. Zaformovat odlitky se zřetelem k požadované přesnosti jednotlivých rozměrů odlitku.

3. Zaformovat odlitky i se zřetelem k výslednému tvaru dělící plochy.

4. Při volbě způsobu zaformování je nutné brát v úvahu dobré odvzdušnění každé části odlitku.

5. Řešit tvary jednotlivých činných dílu formy se zřetelem k dobré technologičnosti při výrobě.

6. Řešit tvary jednotlivých činných dílů formy s přihlédnutím k jejímu tepelnému zpracování.

7. Určit správné rozmístění vyhazovačů a stanovit vhodný způsob vyhazování odlitků z formy.

8. Řešit zaformování odlitku tak, aby byl odlitek při otevírání formy unášen

pohyblivou polovinou formy.

9. Řešit zaformování odlitku tak, aby byl odlitek při vytahování jader opřen.

Odlitek by se jinak zdeformoval silami, vzniklými třením odlitku na vytahovaných jádrech.

10. Již při návrhu formy řešit správně rozmístěné a dimenzované chlazení všech funkčních částí formy.

11. Části formy vystavené erozivnímu účinku proudící taveniny konstruovat jako snadno vyměnitelné vložky.

12. Dělící rovinu formy i styčné plochy jader a vložek volit tak, aby bylo možno otřepy u těchto styků odstranit ostřihem.

13. Při konstrukci formy volit co nejvíce normalizovaných dílů.

14. Již s výrobou nové formy předepsat vyrobení těch dílů, u kterých lze předpovídat kratší životnost.

Tlaková licí forma se skládá z pevné části formy, pohyblivé části formy a zadní nástavby (stoličky), ve které je uložen vyhazovací systém.

Tlaková licí forma je v provozních podmínkách zatěžována cyklickým tepelným namáháním (jeho intenzita závisí na rozdílu licí teploty a teploty líce formy), mechanickým namáháním (vysoké tlaky, erozivní účinek proudící taveniny) a chemickým namáháním (chemické působení mezi taveninou a materiálem formy), což ovlivňuje její životnost. Proto je nutné znát rychlostní, tlakové a teplotní podmínky, za kterých forma pracuje.

Tlakové licí formy jsou vyráběny z nástrojové oceli legované Cr-Mo-V určené pro práci za tepla. Tvarové části formy jsou tepelně zpracovávány žíháním na měkko, žíháním na snížení vnitřního pnutí, kalením a popouštěním na vysoké teploty. Životnost tlakových licích forem lze zvýšit použitím povlaků z tvrdých materiálů, čímž se sníží jejich sklon k vymílání a tvoření trhlin v důsledku tepelné únavy. Na pracovní líc forem (popř. jader) je nanášen povlak např. z karbidu wolframu a titanu o tloušťce 0,0025 až 0,015µm.

Pro zvýšení odolnosti líce formy proti chemickému působení taveniny je líc formy opatřen vhodným ochranným nástřikem líce formy (separační prostředek).

Pro výrobu jakostních odlitků je také důležitým předpokladem dodržování

optimální teploty líce formy. Při odlévání slitiny do formy s nedostatečnou teplotou

líce formy, nastává předčasné snížení teploty slitiny - povrch odlitku není kvalitní,

může dojít i k neúplnému vyplnění dutiny formy a v odlitku jsou značná vnitřní pnutí. Pracovní teplota líce formy závisí na odlévané tavenině, na poměru objemu odlitku k jeho povrchu, na době trvání licího cyklu, na materiálu formy, na použitých separačních prostředcích, na způsobu chlazení formy atd. Dodržování ideálních teplot líce formy v úzkém rozmezí je nutné i pro dodržení rozměrových tolerancí odlitků. Optimální teplotu tlakové licí formy v cyklu tuhnutí a chladnutí odlitku zajišťuje tzv. temperační systém. Pro odlévání slitin z neželezných kovů je doporučována teplota líce tlakové licí formy v rozmezí 200 až 250°C.

Na obr. 2-4 je schématicky znázorněna tlaková licí forma. Teplo uvolněné tlakovým odlitkem přechází do tlakové licí formy a z ní je následně uvolněno z části vedením do rámu tlakového licího stroje Q

a licího pístu Q

(teplo odvedené licím pístem je zanedbatelné), část tepla je odvedena prouděním Q

a sáláním Q

do okolí, další část tepla odvede temperační systém Q

. Velká část tepla je odvedena prostřednictvím ochranného nástřiku líce formy Q

při každém pracovním cyklu (pokud je použit ochranný nástřik na bázi vodního roztoku). Tato část tepla se spotřebovává na odpaření kapalné fáze nástřiku líce formy.

Obr. 2-4 Tepelná bilance tlakové licí formy [2]

Rovnici tepelné bilance tlakové licí formy lze zapsat tímto vztahem:

=

+

+

+

+

+

Q Q Q Q Q Q Q , ( 2.1 )

kde značí: Q – celkové teplo odlitku [J],

Q

– teplo odvedené do okolí sáláním [J],

Q

– teplo odvedené do okolí prouděním [J],

Q

– teplo odvedené upevňovací deskou a rámem stroje [J], Q

– teplo odvedené chladícím systémem [J],

Q

– teplo odvedené při odpařování kapalné fáze nástřiku formy [J],

Q

– teplo odvedené pístem stroje [J].

2.2.3 Konstrukce odlitku

Konstrukční provedení tlakového odlitku musí jednak splňovat funkční požadavky zákazníka a jednak musí být přizpůsobeno použité technologii. Pro konstrukci tlakových odlitků platí obecné zásady konstrukce odlitků (např. odlitek musí mít úkosy, rádiusy atd.). Z geometrie odlitku se vychází při konstrukci tlakové licí formy. Dutina tlakové licí formy musí být zvětšena o míru smrštění odlitku. U vysokotlakých odlitků se uvažuje míra smrštění cca 0,4%.

2.2.4 Tlak ve slévárenské formě

Tlak ve slévárenské formě je specifickým rysem technologie tlakového lití.

Tlak ve slévárenské formě je vyvozen pístem působícím na taveninu a následně i

na tuhnoucí slitinu v dutině formy (tzv. dotlak). Pří působení tlaku na tuhnoucí

slitinu dochází ke vzniku většího počtu krystalizačních zárodků o menší kritické

velikosti r

. Tyto zárodky tvoří jemnozrnnou strukturu, která vykazuje vyšší

mechanické vlastnosti. Na obr. 2-5 je znázorněn vliv tlaku na kritickou velikost

krystalizačního zárodku r

.

Obr. 2-5 Závislost kritické velikosti krystalizačního zárodku na tlaku

Dotlak také mimo jiné eliminuje objemové smrštění, které vzniká při tuhnutí slitiny. Dosazování kovu je možné pouze do té doby než zatuhne zářez tlakové licí formy. Potom už působící dotlak nemá na strukturu odlitku žádný vliv.

2.3 Slévárenské slitiny pro tlakové lití

Vhodnost slitin pro odlévání je závislá na jejich slévárenských vlastnostech a to především na zabíhavosti, stahování, smršťování i sklonu k trhlinám a prasklinám [3].

Zabíhavost je technologická vlastnost, která udává schopnost tekutého kovu zaplňovat dutinu formy. Tato technologická vlastnost je závislá nejen na vlastnostech slitiny (šířka intervalu tuhnutí, čistota taveniny atd.), ale také na licích podmínkách (teplota lití atd.), konstrukci odlitku, konstrukci formy a vlastnostech formy [6]. Slitiny s úzkým intervalem tuhnutí, tj. eutektické slitiny, mají dobrou zabíhavost na rozdíl od slitin se širším intervalem tuhnutí. Při tlakovém lití případnou horší zabíhavost do určité míry eliminuje působící tlak.

Stahování, smršťování, sklon ke vzniku trhlin a prasklin – je podrobněji

popsán v kap. 2.4.

Naplynění taveniny je nežádoucí. Je způsobeno rozpouštěním plynů v tavenině.

V hliníku a jeho slitinách se prakticky rozpouští jenom vodík, zatímco ostatní plyny jsou ve styku s kovem inertní nebo tvoří nerozpustné sloučeniny (např. Al

O

, SiO

atd.) [3]. Rozpuštěný vodík v tavenině způsobuje bubliny. Míra naplynění taveniny rozhoduje o kvalitě odlitku, po odlití naplyněné taveniny vznikají vysoce porézní odlitky. Proto se před vlastním odléváním tavenina rafinuje pomocí rafinačních solí a probublává inertním plynem (Ar, N

), popř. se provádí rafinace pomocí vakua.

Vedle výše uvedených slévárenských vlastností jsou pro slitiny lité pod tlakem důležité ještě další fyzikální vlastnosti [9]:

Teplota tání a z ní odvozená teplota lití – při vysokotlakém lití není nutné odlévat taveninu z tak vysoké teploty jako při gravitačním lití. Vyšší teplota lití cyklicky tepelně zatěžuje líc licí formy a tím nepříznivě působí na její životnost. Horší zabíhavost eliminují tlakové poměry této technologie.

Krystalizační teplo ovlivňuje rychlost tuhnutí odlitku. Slitina s vyšším krystalizačním teplem bude tuhnout za jinak stejných podmínek pomaleji.

Tepelná vodivost příznivě ovlivňuje teplotní pole v odlitku. Slitiny mají obecně nižší hodnotu tepelné vodivosti než čisté kovy.

Viskozita a povrchové napětí taveniny nemají při vysokotlakém lití takový význam jako u gravitačního lití. Jejich nepříznivé účinky eliminují do jisté míry tlakové poměry při odlévání.

2.3.1 Slitiny pro tlakové lití na bázi Al-Si

V technické praxi se tyto slitiny běžně označují jako siluminy. Jsou nejpoužívanějším typem slévárenských slitin hliníku. Odlitky z těchto slitin se vyznačují dobrou houževnatostí, pevností a korozivzdorností i ve zředěných kyselinách. Jejich obrobitelnost je poněkud horší než u jiných typů slitin hliníku.

Slitiny Al-Si mají dobrou zabíhavost, malé smrštění a nejsou náchylné k praskání [6].

Tyto slitiny mohou být odlévány různými technologiemi - gravitačním, nízkotlakým a vysokotlakým litím. Pro tlakovém lití se obvykle používají slitiny podeutektické (4,5 až 10% Si) a eutektické (10 až 13% Si).

Hliník s křemíkem tvoří substituční tuhý roztok α, kde rozpustnost křemíku v

tuhém roztoku α je omezená. Maximální rozpustnost křemíku (Si) v tuhém roztoku

α je (1,6%) při eutektické teplotě (577±1°C). P ři snižování teploty pod eutektickou teplotu (577±1°C) rozpustnost klesá až na hodnotu 0,16% při teplotě 20°C. Na obr. 2-6 je uveden rovnovážný binární diagram Al-Si.

Obr. 2-6 Vliv tlaku na tvar rovnovážného diagramu Al-Si dle Batyševa [10]

Vliv legujících prvků na vlastnosti slitin Al-Si je následující [9]:

Křemík – ve slitinách je hlavním legujícím prvkem, zlepšuje slévárenské vlastnosti – např. zabíhavost, zmenšuje se teplotní roztažnost, snižuje se nebezpečí vzniku trhlin a prasklin, zlepšuje kluzné vlastnosti, odolnost proti otěru a zvyšuje korozivzdornost. V závislosti na jeho množství se zvyšují také plastické vlastnosti slitiny. Slitiny Al-Si zpravidla obsahují 5 až 25 % Si, kde vyšší obsah křemíku způsobuje zúžení intervalu tuhnutí.

Měď (Cu) se do slitin Al-Si přidává v množství maximálně 5-ti %. Je to prvek, který zhoršuje korozivzdorné vlastnosti, slévárenské vlastnosti a také rozšiřuje interval tuhnutí a tím zvyšuje možnost vzniku trhlin za tepla. Na druhou stranu zvyšuje pevnostní vlastnosti tenkostěnných odlitku po vytvrzování a zlepšuje obrobitelnost.

Hořčík (Mg) v siluminech zlepšuje po vytvrzení, podobně jako měď, pevnostní

vlastnosti. Do těchto slitin se přidává cca 0,3% až 0,7%. V tomto množství

významně neovlivňuje slévárenské vlastnosti a na rozdíl od mědi nesnižuje

odolnost proti korozi.

Mangan (Mn) je přidáván za účelem zvýšení pevnostních vlastností a způsobuje zjemnění zrna na rozdíl od železa (Fe), tudíž kompenzuje neblahé účinky železa.

Obsah manganu ve slitině je maximálně do 3%.

Železo (Fe) je prvek, jehož obsah pro tlakové lití je přípustný do 3%. Všeobecně lze říci, že železo (Fe) v malých množstvích 1 až 1,5% zvyšuje u všech slitin pevnost a snižuje lineární smrštění. Nevýhodou však je, že s hliníkem (Al) tvoří sloučeninu FeAl

, která způsobuje vznik hrubé struktury. Optimální hodnoty obsahu železa pro tlakové lití jsou zhruba kolem 1% a jeho přítomnost ve slitině Al-Si snižuje lepení kovu na líc tlakové licí formy.

Zinek (Zn) je prvek, který způsobuje mírné zvýšení mechanických vlastností a ve slitině pro tlakové lití bývá obsažen do 3%. Také při tlakovém lití snižuje náchylnost lepení kovů na líc formy jako železo (Fe). Vyšší obsah zinku vede k zvýšení možnosti vzniku trhlin.

Pro zlepšení mechanických vlastností odlitků se provádí metalurgické zpracování taveniny, tzv. modifikace a očkování taveniny [9].

Modifikace je proces úpravy taveniny, který ovlivňuje způsob růstu krystalizačních zárodků, jehož důsledkem jsou morfologické změny vyloučených fází. Modifikace se provádí pomocí prvků Na, Sr (tzv. modifikátorů), které jsou ve formě solí, tablet a předslitin. Modifikaci je nutno provádět až po odplynění taveniny.

Očkování je proces úpravy taveniny, při které dochází k vnášení nukleačních

zárodků, resp. prvků (očkovadel) z nichž se nukleační zárodky tvoří. Očkovadla se

přidávají do taveniny ve formě solí, tablet nebo předslitin obsahující očkovací

prvky (Ti, B, Ti+B). Účelem očkování je zvýšení počtu krystalizačních zárodků

matrice tj. tuhého roztoku α.

U slitin odlévaných vysokotlakým způsobem se očkování a modifikace neprovádí. Tlak působící na tuhnoucí taveninu (dotlak) působí modifikačním účinkem. Před odléváním se tavenina pouze rafinuje pomocí rafinační soli a probublává inertním plynem (Ar, N

).

Za účelem zvýšení mechanických vlastností lze slitiny obsahující Cu nebo Mg tepelně zpracovávat tzv. vytvrzováním. Tepelně zpracovávat vysokotlaké odlitky lze pouze v případě lití do vakua. Klasické vysokotlaké odlitky se obvykle tepelně zpracovávají, protože při jejich ohřevu na rozpouštěcí teplotu cca 500 až 540 °C mohou tlaky vzduchových mikrobublin (porezit a) způsobit deformaci odlitků. Tato nevýhoda je do jisté míry eliminována tím, že při rychlém ochlazování vysokotlakého odlitku (vysoká tepelná akumulace formy a působící tlak na tuhnoucí taveninu) vznikají přesycené tuhé roztoky a následně dochází k přirozenému stárnutí a tím se do určité míry zvyšují mechanické vlastnosti.

Slitiny Al-Si určené pro tlakové lití musí mít nejen vhodné slévárenské a mechanické vlastnosti za normální teploty, ale také dostatečnou pevnost za tepla, aby odlitky při rychlém ochlazování a bržděném smršťování v tlakové licí formě nepraskly.

V současné době patří mezi nejpoužívanější slitiny pro tlakové lití slitiny AlSi12Cu, AlSi9Cu3 a AlSi10Mg. Chemické složení vybraných slévárenských slitin pro tlakové lití je uvedeno v tab. 2.1, jejich slévárenské a mechanické vlastnosti jsou uvedeny v tab. 2.2 a 2.3 [9].

Tabulka 2.1 Chemické složení vybraných slévárenských slitin používaných pro tlakové lití [9]

Označení slitiny Prvky obsažené ve slitině (%) Obsah nečistot

(%)

chemické Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Pb Ti Jeden

prvek Celkem AlSi10Mg(Fe) 9,0-11 1,00 0,10 0,55 0,2-0,5 0,15 0,15 0,15 0,20 0,05 0,15

AlSi12(Fe) 10,5-13,5 1,00 0,10 0,55 0,15 0,15 0,05 0,25

AlSi9Cu3(Fe) 8,0-11,0 1,30 2,0-4,0 0,55 0,05-0,55 0,15 0,55 1,20 0,35 0,25 0,05 0,25 AlSi9Mg(Fe)(Zn) 8,0-11,0 1,30 2,0-4,0 0,55 0,05-0,55 0,15 0,55 3,00 0,35 0,25 0,05 0,25 AlSi12Cu1(Fe) 10,5-13,5 1,30 2,0-4,0 0,55 0,35 0,10 0,30 0,55 0,20 0,25 0,05 0,25 AlMg9 2,50 1,00 0,10 0,55 8,0-10,5 0,10 0,25 0,10 0,20 0,05 0,15

Tabulka 2.2 Slévárenské vlastnosti vybraných slitin používaných pro tlakové lití [9]

Označení slitiny Slévárenské vlastnosti Technologické

vlastnosti

číselné chemické

Interval tuhnutí

(°C)

Zabíhavost Odolnost proti

vzniku trhlin Nepropustnost Odolnost proti korozi

EN AC-43400 AlSi10Mg(Fe) 600-550 A A C C

EN AC-44300 AlSi12(Fe) 580-570 A A C C

EN AC-46000 AlSi9Cu3(Fe) 600-490 B B C B

EN AC-46500 AlSi9Mg(Fe)(Zn) 600-490 B B B D

EN AC-47100 AlSi12Cu1(Fe) 580-530 A A C C

EN AC-45200 AlMg9 620-530 C D D A

A - výborná B - velmi dobrá C – dobrá D – nízká E – nedoporučená

Tabulka 2.3 Mechanické vlastnosti vybraných slévárenských slitin používaných pro tlakové lití [9]

Označení slitiny Mechanické vlastnosti

VDS číselné chemické Rm (MPa) Rp0,2 (MPa) A50 (%) Tvrdost HBS

239 D EN AC-43400 AlSi10Mg(Fe) 240 140 1 70

230 D EN AC-44300 AlSi12(Fe) 240 130 1 60

226 D EN AC-46000 AlSi9Cu3(Fe) 240 140 <1 80

226/3 EN AC-46500 AlSi9Mg(Fe)(Zn) 240 140 <1 80

231/D EN AC-47100 AlSi12Cu1(Fe) 240 140 1 70

349 EN AC-45200 AlMg9 200 130 1 70

2.4. Objemové změny při tuhnutí odlitku [5]

U běžných slévárenských slitin je měrný objem taveniny větší než objem tuhé fáze. Výsledný objem ztuhlého a vychladlého odlitku z těchto slitin je proto menší než výchozí objem taveniny ve formě. Velikost tohoto úbytku objemu je ovlivněna technologickými podmínkami výroby odlitku.

Je důležité rozlišovat pojem smršťování slitiny od smršťování odlitku z této

slitiny. Smršťování slitiny je fyzikální vlastnost slitiny. Závisí na druhu slitiny a

teplotním rozdílu (fyzikální úbytek objemu). Smršťování odlitku závisí na

smršťování slitiny (fyzikální vlastnost) a na dalších technologických podmínkách,

jako např. na konstrukci odlitku, licích podmínkách, podmínkách odvodu tepla atd.

Smršťování je obrazem objemových změn tekuté a tuhé fáze odlévaného kovu (slitiny kovů) s klesající teplotou i objemovými změnami při fázových přeměnách. Projeví se zmenšením výsledných rozměrů odlitku, vytvářením podmínek k tvorbě vnitřních dutin odlitku a vede ke vzniku vnitřních pnutí.

Dochází-li ke změnám objemu, jedná se o objemové smrš ť ování (stahování), které v odlitku vytváří staženiny, řediny a mikroporezitu. Smršťování, které se vztahuje k délkovým změnám rozměrů odlitku se nazývá smrš ť ování lineární, dochází k němu při chladnutí odlitku a má za následek zmenšení rozměrů odlitku vůči modelu.

Celkové smršťování odlitku při tuhnutí a chladnutí probíhá ve třech etapách:

a) ε

- smršťování v tekutém stavu (T

- T

);

b) ε

- smršťování při krystalizaci (v intervalu teplot tuhnutí T

- T

);

c) ε

- smršťování v tuhém stavu (T

- T

).

Obr. 2-7 Rovnovážný diagram s vyznačením oblastí smršťování [5]

2.4.1 Smršťování v tekutém stavu

Bezprostředně po odlití taveniny do slévárenské formy dochází k odvodu tepla z kovu do formy a ke smršťování taveniny. Smršťování taveniny končí jejím ztuhnutím. Objemové smrštění v tekutém stavu lze stanovit ze vztahu:

ε

= α

( T

- T

), ( 2.2 )

kde značí: α

- součinitel objemového smrštění kovu v tekutém stavu [°C

];

T

- teplotu lití [°C];

T

- teplotu solidu [°C].

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

2.4.2 Smršťování při krystalizaci

Nastává mezi teplotou likvidu a solidu. S poklesem teploty přibývá tuhá fáze na úkor taveniny, dochází ke smršťování ještě kapalné fáze a ke smršťování již ztuhlé fáze. Objemové smrštění při krystalizaci lze stanovit ze vztahu:

ε

= α

( T

- T

), ( 2.3 )

kde značí: α

-součinitel objemového smrštění v intervalu teplot [°C

];

T

- teplotu likvidu [°C].

Změna objemu při krystalizaci (stahování) se projevuje vznikem staženin. Jejich objem stanovíme:

V

= β.( V

+ V

), ( 2.4 )

kde značí: β - součinitel stahování [-];

V

- objem odlitku [m

];

V

- objem nálitku [m

].

Staženiny jsou vady struktury odlitku. Jejich velikost je dána součtem

objemu soustředěné staženiny a všech mikrostaženin. Čím větší bude objem soustředěné staženiny, tím menší podíl objemu bude připadat na mikrostaženiny, tzv. řediny.

V

= V

+ V

( 2.5 )

Eutektické slitiny mají sklon tvořit soustředěnou staženinu. Čím má slitina širší interval tuhnutí, tím je větší nebezpečí vzniku mikrostaženin. Pokud slitina krystalizuje ve formě dendritů, mohou při tuhnutí větve narůstajících dendritů uzavřít zbylou taveninu a tím znemožnit krytí objemových ztrát při jejím tuhnutí, což má za následek vznik mikrostaženin, resp. ředin.

U tvarových odlitků jsou nejméně příznivé mikrostaženiny rozptýlené po celém průřezu odlitku, zatímco soustředěné staženiny o malém objemu většinou odlitek viditelně neznehodnocují. K odstranění staženin při gravitačním lití se používá nálitků, ze kterých je dosazována tavenina do míst, kde vzniká staženina.

Při tlakové lití však využití nálitků není možné a proto se používá tzv. dotlak, který působí na tuhnoucí taveninu a do určité míry vzniklé staženiny eliminuje. Vzniká tak porezní odlitek bez soustředěné staženiny.

Slévárenské slitiny hliníku stahují více než litiny s lupínkovým grafitem.

Nejmenší staženiny vznikají u slitin hliníku eutektického složení (např.

AlSi10Mg, AlSi13 atd. ). Více stahují slitiny, které obsahují menší množství křemíku ( jako např. AlSi7, AlSi8Cu4, AlSi5Cu2 ).

2.4.3 Smršťování v tuhém stavu

Objemové smrštění v tuhém stavu nemá prakticky vliv na velikost staženiny, projevuje se změnou lineárních rozměrů odlitku vůči modelu. Model odlitku musí být tedy větší o míru smrštění, aby měl odlitek správné rozměry.

Velikost objemového smrštění v tuhém stavu lze stanovit :

ε

= α

(T

– T

), ( 2.6 )

kde značí: α

- součinitel objemového smrštění v tuhém stavu [°C

];

T

- teplotu okolí [°C].

ε

= 3 ε

( 2.7 )

kde značí: ε

- objemové smrštění v tuhém stavu [-];

ε

- lineární smrštění v tuhém stavu [-].

Velikost lineárního smrštění lze určit podle vtahu:

ε

= [ ( l

- l

)/l

] . 100, ( 2.8 )

kde značí: l

- rozměr odlitku při teplotě solidu [m];

l

- rozměr ochlazeného odlitku [m].

Tabulka 2.4 Hodnoty smrštění odlitků odlévaných různým způsobem [11]

Slitina Způsob lití Míra smrštění gravitačně do písku

1,0 - 1,14

0,5 - 0,8

tlakové lití

0,4 - 0,6

1,0 - 1,2

0,8 - 1,0

tlakové lití

0,5 - 0,8

1,1 - 1,6

0,9 - 1,3

tlakové lití

0,5 - 0,7

Hodnoty lineárního smrštění u tlakového lití slitin hliníku jsou podstatně nižší než hodnoty lineárního smrštění při gravitačním litím do kovové a do pískové formy. Hodnota lineárního smrštění závisí především na rychlosti a postupu chladnutí, na míře tenkostěnnosti odlitku a na tuhosti formy.

Pokud nic nebrání odlitku ve smršťování jedná se o smrštění volné. Pokud při tuhnutí odlitku klade konstrukce formy, jádra apod. smršťujícímu se odlitku odpor, potom se jedná o smršťování bržděné. Tento odpor může v odlitku způsobovat pnutí, popř. vady.

Při odlévání slitin hliníku technologií vysokotlakého lití se uvažuje smrštění

cca 0,4%.

Obr. 2-8 Volné smršťování Obr.2-9 Bržděné smršťování

2.4.4 Celkové objemové smrštění

Celkové objemové smrštění ε

odpovídá součtu objemového smrštění v tekutém stavu ε

, při krystalizaci ε

a v tuhém stavu ε

.

ε

= ε

+ ε

+ ε

= [ ( V

- V

)/V

] . 100, ( 2.9 )

kde značí: V

- objem odlévaného kovu při teplotě lití [m

];

V

- objem ztuhlého odlitku při teplotě okolí T

[m

].

2.5 Napjatost v odlitcích

Napjatost v odlitku se vyskytuje od jeho vzniku až do jeho úplného vychladnutí, popř. v průběhu tepelného zpracování. V počátku tuhnutí se jedná o mechanické namáhání odlitku působením vnějších sil, tj. konstrukcí formy, jádra, vlivem vlastní konstrukce odlitku atd. (bržděné smrštění). Po ztuhnutí odlitku se jedná o namáhání, které je způsobeno fázovým nebo tepelným vnitřním pnutím.

Tepelná pnutí jsou vyvolána nestejnoměrným chladnutím odlitku a pnutí fázová jsou způsobena fázovými přeměnami v odlitku. Vnitřní pnutí v odlitku má podstatný vliv na provozní trvanlivost, bezpečnost a spolehlivost odlitku.

Jeli napjatost odlitku vyšší než jeho mez pevnosti potom dochází

k deformacím, povrchovým a vnitřním vadám, jako jsou trhliny a praskliny.

2.5.1 Smršťovací napětí

Jak již bylo uvedeno, toto pnutí je vyvoláno bržděným smršťováním, které může být způsobeno jednak mechanickým odporem, který klade forma a jádra, jednak silami, které vznikají třením odlitku o formu při jeho smršťování, a jednak metalostatickým tlakem sloupce taveniny, který působí proti vnější smršťující se vrstvě.

Toto smršťovací napětí se projevuje zhruba při vyloučení 20 % tuhé fáze, která tvoří kompaktní skelet, tj. vrstvu na povrchu odlitku, jejíž teplota se pohybuje v intervalu teplot mezi likvidem a solidem.

Po odlití taveniny do slévárenské formy teplota odlitku po celou dobu klesá.

Teplota slévárenské formy v prvním stádiu po odlití taveniny naopak vzrůstá a později klesá podobně jako teplota odlitku. V prvním stádiu po odlití forma dilatuje, tudíž odlitek je formou roztahován, čímž v odlitku vzniká smršťovací pnutí (záleží na konstrukčním řešení formy a odlitku). V tomto okamžiku je pevnost odlitku ještě nižší než pevnost formy a pokud toto smršťovací pnutí překročí pevnost odlitku, v odlitku vzniknou vady – trhliny.

V druhé fázi slévárenská forma i odlitek chladnou. Zvyšuje se pevnost i tažnost odlitku a tudíž už nehrozí vznik trhlin.

Trhliny jsou vady struktury odlitku, které vznikají při teplotách blízkých teplotě solidu odlévané slitiny, pokud pnutí v odlitku způsobené odporem konstrukce formy, jádra atd. překročí hodnotu vnitřní soudržnosti slitiny. Trhlina se šíří po hranicích vzniklých zrn.

2.5.2 Vnitřní pnutí tepelná a fázová

V prvních okamžicích po odlití brání mechanické síly (forma, jádro, atd.) ve smrštění ztuhlé vrstvě. Po ztuhnutí většího objemu kovu, vlivem nehomogenního teplotního pole odlitku, na sebe začnou působit jednotlivé ztuhlé vrstvy, které mají rozdílnou dilataci. V odlitku vzniká vnitřní tepelné pnutí, které v průběhu chladnutí odlitku mění svůj charakter (tahové (+) a tlakové (-) pnutí).

Podstatou vnitřních tepelných pnutí je tepelná roztažnost (smrštivost) kovů a jejich závislost na teplotě. Čím je teplotní pole odlitku homogennější, tím v odlitku vzniká menší vnitřní tepelné pnutí.

Vnitřní tepelné pnutí může být dočasné nebo zbytkové. Dočasné pnutí

vzniká v odlitku, pokud se mění rozdíly teplot jen v oblasti převážně pružných

deformací. Po vymizení rozdílu teplot vymizí i toto pnutí. Zbytkové pnutí vzniká při přechodu odlitku z teplotní oblasti převážně plastických deformací do oblasti převážně pružných deformací. Jeho hodnota vzrůstá s ochlazováním odlitku a nejvyšší hodnoty nabývá po jeho úplném vychladnutí. Čím vyšší byl rozdíl teplot v odlitku při přechodu nejteplejší části odlitku do oblasti převážně pružných deformací, tím vyšší je hodnota zbytkového pnutí. Odlitek neizotermické poddajné konstrukce se deformuje tak, že tlustší části se zkrátí více než tenké, tj.

zdeformovaný odlitek bude mít tlustou část zevnitř zakřivenou. Odlitek neizotermické tuhé konstrukce může prasknout. Tyto praskliny vzniknou v tlusté části odlitku ke konci chladnutí (oblast převážně pružných deformací materiálu odlitku), kdy se pnutí vystupňovává. Tedy za předpokladu, že tahové (popř.

smykové) napětí při dané teplotě překročí pevnost materiálu.

Vnitřní pnutí fázové (transformační) vzniká v chladnoucím odlitku ze slitin, které prodělávají fázovou přeměnu. Je způsobeno objemovou změnou při fázové přeměně ve ztuhlém odlitku. Toto pnutí je charakteristické pro slitiny železa, kde při ochlazování probíhá fázová přeměna (Feα -fáze má větší měrný objem proti fázi Feγ). Při neizotermickém chladnutí odlitků neprobíhá tato fázová přeměna v jednotlivých částech odlitku současně. Transformace fáze γ → α postupuje odlitkem v souladu s měnícím se jeho teplotním polem jako „vlna“, proto se transformační pnutí v odlitku mění s místem i časem - směřuje proti tepelnému zbytkovému pnutí a snižuje ho. Pokud probíhá přeměna γ → α současně v celém objemu odlitku, potom toto pnutí nevzniká. Izotermického chladnutí lze dosáhnout izotermickou konstrukcí odlitku nebo řízeným ochlazováním.

U slitin hliníku nedochází k fázové přeměně, tudíž toto pnutí v odlitcích

nevzniká.

Vzhledem k objemu, v jakém zbytková vnitřní pnutí působí rozlišujeme:

• Pnutí I. řádu (makroskopické pnutí) - toto pnutí působí v části nebo v celém objemu odlitku. Sčítá se s napětím, které vzniká z provozního zatížení odlitku a je pro funkci odlitku nebezpečné. Může se projevit i poruchami souvislosti materiálu odlitku. Hodnota zbytkového vnitřního pnutí se snižuje žíháním na snížení vnitřního pnutí, kdy je odlitek pozvolna ohříván do teplotní oblasti převážně plastických deformací. Na této teplotě setrvá po určitou dobu (dle tloušťky stěny odlitku) a následuje pozvolné ochlazení tak, aby při přechodu do oblasti převážně pružné deformace měl odlitek homogenní teplotní pole. V oblasti převážně pružných deformací lze odlitek ochlazovat poměrně rychle, aniž by to mělo vliv na výsledné zbytkové pnutí;

• Pnutí II. řádu (mikroskopické pnutí) – působí v celém objemu jednotlivých krystalů a vyrovnává se v mikroobjemech. Může být příčinou vzniku mikrotrhlin;

• Pnutí III. řádu (submikroskopické pnutí) – působí v objemu jedné nebo několika elementárních mřížek. Jeho zdrojem jsou poruchy atomové mřížky (cizí atomy, dislokace, atd.). V makroměřítku se neprojevuje žádným účinkem.

Zbytkové pnutí v určitém bodě tělesa je vždy součtem všech tří uvedených druhů pnutí. Většina slévárenských slitin jsou heterogenní materiály složené z různých složek, které se při zpracování chovají rozdílně. V atomové mřížce vzniká velké množství nepravidelností (vakance, dislokace, atd.), dochází k difuzi atomů a přeměně jednotlivých strukturních složek (nečistoty, karbidy, apod.).

Všechny tyto jevy mají vliv na vznik pnutí.

Z praktického hlediska se pozornost věnována zbytkovému pnutí I.řádu

(makroskopickému pnutí) a zbytková pnutí II. a III. řádu jsou považována za

nepodstatná.

2.6 Zařízení použité pro kontrolu rozměrů tlakově litých odlitků

Rozměrová přesnost tlakově litých odlitků je udávána v toleranci ± 0,05 až ± 0,2 mm a lze ji sledovat pomocí moderních souřadnicových měřicích zařízení, proto se v dnešní době používají ve většině případech souřadnicové měřící přístroje (SMS), které mají oproti tradičním metodám měření spoustu výhod. Tradiční metody měření jsou mnohdy zdlouhavé a namáhavé. Zatímco souřadnicové měřící přístroje jsou schopny nejen velice přesně a rychle měřit, zaznamenávat naměřené hodnoty po připojení zařízení na záznam, ale i statisticky vyhodnocovat. Proto se staly souřadnicové měřící přístroje ve spojení s počítačovou technikou prostředkem pro účinné zvyšování a udržování jakosti ve všech oblastech výroby [8].

Obr. 2-10 Souřadnicový měřící přístroj LH firmy Wenzel

2.6.1 Konstrukce SMS

3 D měřící přístroj je zařízení, které má svoji vlastní příměrnou desku doplněnou měřícím mechanismem. Měřící mechanismus je vždy doplněn o měřící dotek, kterým si “ohmatává” kontrolovanou součást a jehož poloha je identifikována a zobrazena na číselném ukazateli hodnot. Souřadné osy souřadnicových měřících přístrojů jsou navzájem kolmé a současně kolmé a rovnoběžné s příměrnou deskou [8].

Konstrukci SMS lze rozdělit do několika skupin podle uspořádání. Největší uplatnění má konstrukce mostová, viz obr. 2.10, která vyniká tuhou konstrukcí a velkou kapacitou měřícího prostoru [8]. Trojrozměrná kapacita SMS umožňuje měření součásti na pěti stranách při jednom ustavení součásti na měřícím stole [8]. Na příměrné desky, které tvoří základ SMS, i na vodící plochy jsou kladeny vysoké požadavky v dosažení rovinnosti a kolmosti. Minimální úchylka rovinnosti broušených vodících ploch bývá kolem 0,005 až 0,002mm.m

[8].

Jednotlivé č ásti sou ř adnicových m ěř ících p ř ístroj ů : 1. Pracovní deska

Používá se žulová granitová deska, která je ustavena na čtyřech základních podpěrách. Horní plocha desky je broušená a opatřená otvory se závity.

Pomocí těchto závitů, šroubů a upínek se připevňuje k pracovní ploše měřený kus. Na konci této desky je upevněno seřizovatelné vedení, po kterém pojíždí most.

2. Most

Tvoří tzv. složené uzavřené konstrukce, jehož stojny mají různé profily.

Překlad mostu slouží k vedení příčných saní [8].

3. Vedení

Musí být provedeno tak, aby se pohyblivé části mohly posouvat s maximální

přesností a bez trhavých pohybů i při minimálních rychlostech, které se

vyskytují v koncových polohách. Pohyblivé části se tedy ukládají na

vedení s co nejmenším třením, s minimálním opotřebení a s maximální

tuhostí [8]. Proto se tedy ve většině případů používají vedení valivá

(kuličková, válečková) a vedení aerostatická [8].

4. Příčné saně

Jsou obvykle deska s kamennými vodícími plochami. Uvnitř desky je vytvořen závěs pro uložení objímky dotekové sondy [8].

5. Odměřovací systém

U moderních souřadnicových měřících strojů je tvořen odměřovací systém sondou a dotekem. Přesnost odměřovacího systému ovlivňuje přesnost celého měření, proto je nutné dodržet správnou volbu doteku. Typ a rozměr použitého doteku závisí na snímaném prvku. Nejdůležitějšími vlastnostmi však zůstávají maximální tuhost doteku a dokonalá kulovitost hrotu [8].

Obr. 2-11 Snímací zařízení

2.6.2 Princip souřadnicových měřících strojů

Měření na SMS je založeno na snímání prostorové polohy jednotlivých

bodů, které jednoznačně určí kontrolovaný geometrický prvek na povrchu měřené

součásti, [8]. Poloha bodů je snímána dotekem (je součástí měřícího systému),

který zprostředkovává kontakt mezi součástí a sondou. Právě tento kontakt

způsobuje sepnutí v mechanismu sondy. Signál, který je přitom generován,

umožňuje zaznamenání souřadnic sejmutého bodu. Při generování souřadnic

měřené součásti jsou používány nástroje analytické geometrie (buď v rovině, nebo

v prostoru atd.)

Postup měření na souřadnicových měřících strojích [8]:

• Kalibrace měřící sondy;

• Transformace souřadného systému součásti vůči souřadnému systému stroje (tzn. umožňuje provádět měření součásti, která není mechanicky vyrovnána vůči souřadnému systému měřícího stroje);

• Měření jednotlivých bodů na součásti a jejich záznam;

• Výpočet geometrických prvků, které nelze snímat dotekem (např.

průsečíky, osy symetrie, atd.);

• Vytvoření protokolu o měření, který musí jednoznačně vyjádřit geometrické znaky kontrolované součásti.

Pro větší počet kontrolovaných součástí se tvoří tzv. řídící programy.

Faktory ovliv ň ující p ř esnost sou ř adnicových m ěř ících p ř ístroj ů [8]:

Souřadný systém

• Chyby kolmosti

• Deformace stroje

• T ř ení

• V ů le Měřící dotek

• Pr ů hyb

• Chyba tvaru t ě líska Odměřovací systém

• Chyby m ěř ítka

• Chyby justáže

Řízení

• Chyby digitalizace Měřená součást

• Povrch sou č ásti

• Hmotnost sou č ásti Podmínky okolí

• Chv ě ní

• Kolísání teploty