____________________________________________________________________
1
2
3
4
Abstrakt
Tato diplomová práce se zabývá problematikou gravitačního lití hliníkové slitiny do pískové formy. Pojednává o reálném výrobku, který má svého výrobce i koncového zákazníka. Celá práce je rozdělena do dvou hlavních částí. V první teoretické části je nastíněna konstrukce pískové formy podložená výpočty, dále volba vhodného materiálu, ze kterého lze formu vyrobit a nakonec také volba vhodné slitiny pro danou aplikaci. V části experimentální je popsán samotný odlitek odlučovače oleje, odhaleny a definovány jsou jeho výrobní vady, pro které je následně na základně simulačních výpočtů prováděných v softwaru Magma 5.2 nastíněna možná v praxi použitelná náprava. Konečné navržené řešení je následně prakticky aplikováno.
Klíčová slova
Gravitační lití, hliníková slitina, písková forma, simulační výpočet
5
Abstract
The topic of this thesis is concerned with gravity-driven aluminum-based alloy‘casting into the sand mould. Issue is being analyzed with special focus on real- world product and its’ facing particular difficulties in the given field of alloy casting.
The thesis comprises of two main parts: Theoretical section pays special attention to sand-mould construction, revealing the whole construction process from theoretical background and necessary calculations, all the way to material selection, respectfully chosen relatively to intended properties of final product as well as alloy composition which, itself, is another deeply analyzed part of theoretical section.
Before applying the gathered information in practice, the experimental section begins with description of casted product – the oil separator tank, aiming particularly to its weak-points analysis. Paper brings out the reasons behind the so- far rather faulty production of the oil separator tank through computer simulation on Magma 5.2 software and, using the same software, suggests the correction proceedings. Eventually, such a layout underwent a practical trial, proving its qualities over the initial process. The last part then comments obtained data.
Keywords
Gravity casting, sand mould, simulation calculations
6
Poděkování
Děkuji vedoucímu diplomové práce Ing. Jiřímu Machutovi, Ph.D. za poskytnutý čas, naplněný mnoha cennými radami a směrování mé práce. Dále pak Ing. Miroslavu Tarabovi ze společnosti Unitherm s.r.o. za konzultaci a poskytnutí podkladů pro vytvoření této práce. Děkuji také Liboru Nezkusilovi ze společnosti Unitherm s.r.o. za pomoc s vyhodnocením výsledků simulačních výpočtů. V neposlední řadě můj dík panu Pavlu Pickovi ze společnosti Keramost, a.s. za poskytnutá materiálová data k dané formovací směsi a též všem, kteří mi jakýmkoli způsobem vyšli vstříc při tvorbě této diplomové práce.
Diplomová práce vznikla na základě finanční podpory projektu studentské grantové soutěže /SGS 21122/ ze strany Technické univerzity v Liberci v rámci podpory specifického vysokoškolského výzkumu.
Obsah
Obsah ... 7
Seznam symbolů, jednotek a zkratek ... 8
1 Úvod... 10
2 Teoretická část ... 12
2.1 Konstrukce pískové slévárenské formy ... 12
2.2 Materiál formy – Bentonit ... 17
2.3 Hliníkové slitiny ... 19
3 Experimentální část ... 28
3.1 Konstrukce odlitku ... 28
3.2 Zkoumání vad odlitku ... 29
3.3 Simulační výpočet odlitku odlučovače oleje ... 32
3.3.1 Vyhodnocení simulačního výpočtu ... 40
3.4 Simulační výpočet po úpravě ... 49
3.4.1 Vyhodnocení simulačního výpočtu ... 50
3.5 Simulační výpočet po přepracování vtokové soustavy ... 53
3.5.1 Vyhodnocení simulačního výpočtu ... 54
4 Diskuze ... 59
5 Závěr ... 61
Použitá literatura ... 64
Seznam obrázků ... 65
Seznam tabulek ... 67
Seznam příloh ... 68
Elektronická příloha ... 69
Seznam symbolů, jednotek a zkratek
ČSN Česká technická norma
ČSSR Československá socialistická republika
Vkrit kritická rychlost [m . s-1]
Rekr Reynoldsovo číslo [-]
ϒ kinetická viskozita kovu [m2 . s-1]
D průměr kanálu [m]
H metalostatická výška [m]
v rychlost proudění taveniny [m . s-1]
g gravitační zrychlení [m. s-2]
hp ztrátová výška [m]
hz hydrostatická výška [m]
Hú účinná výška vtokové soustavy [m]
H celková výška vtokové soustavy [m]
P vzdálenost zářezů od horní části dutiny formy [m]
C výška odlitku [m]
∑Smin součet průřezů zářezů [mm2]
m hmotnost odlitku včetně nálitků [kg]
μ součinitel hydraulických ztrát [-]
ρo hustota hliníkové slitiny [kg/m3]
tlití čas lití [s]
β smrštění taveniny při změně teplot, od lití po teplotu tuhnutí [-]
Vo objem odlitku [mm3]
VN součet objemu nálitků [mm3]
x součinitel nehospodárnosti odlitku [-]
K Kelvin
°C Stupeň Celsia μm mikrometr mm milimetr s sekunda
AlSi10Mg – Slitina hliníku a křemíku Al – Aluminium – Hliník
Si – Silicium – Křemík B – Borum – Bor Ti – Titanium - Titan Mg – Magnesium – Hořčík Cu – Cuprum – Měď Li – Lithium - Lithium Zn – Zincum – Zinek Ni – Niccolum – Nikl
Sr – Stroncium – Stroncium
.stl StereoLithography file format – formát souboru StereoLithography .sat Standard ACIS Text file format – formát souboru Standard ACIS Text
1 Úvod
Náplní diplomové práce je seznámení s problematikou technologie gravitačního lití hliníkových slitin, návrh a konstrukce forem, správná volba materiálu formy, následné zkoumání odlitků, odhalování vad a návrh řešení jejich odstranění. Všechny teoreticky nabyté poznatky jsou prakticky aplikovány na odlitek odlučovače oleje vyráběného společností Unitherm s.r.o. Pro zjištění možných příčin vad bylo využito laboratoří Technické univerzity v Liberci.
V teoretické části se práce zabývá výrobou forem pomocí bentonitových formovacích směsí se zaměřením dostupné směsi dodávané firmou Keramost, a.s., tvorbou dutin formy ve slévárenské praxi a rozborem používaných hliníkových slitin ve slévárenství. Zvláštní důraz je kladen na slitiny Al-Si, které jsou pro technologii gravitačního lití do pískové formy výhodné.
Experimentální část práce se zabývá seznámením s odlitkem, jeho parametry a požadavky zákazníka. Dále lokalizací, rozborem a návrhem odstranění konkrétních vad odlitku. Vzniklé vady jsou odhaleny až po konečném obrobení, navíc je není možné odstranit následnou operací, ale znamenají vyřazení hotového výrobku.
Společnost Unitherm s.r.o. se zabývá výrobou odlitků z hliníkových slitin odlévaných do pískových forem a kokil. Slévárna je vybavena vlastní modelárnou a tak je schopna pružně reagovat na navrhované změny konstrukce odlitku a částí vtokové soustavy či nálitků.
Univerzitní laboratoř poskytla zázemí pro analýzu formovací směsi, vad odlitků a především bylo pro efektivní řešení nových návrhů změn v procesu odlévání a geometrii formy využito simulačního softwaru Magma 5.2, kterým bylo možné ověřit navrhované změny v konstrukci formy, před jejím vlastním přepracováním v provozu.
V diplomové práci byly spojeny teoretické znalosti nabyté při studiu na Technické univerzitě v Liberci s praktickým řešením problému vzniklém v provozu. Bylo využito moderních metod zkoumání problému a navrženo řešení, které zohledňovalo několik faktorů, jako pracnost úprav formy, minimální změna geometrie, požadavky zákazníka a v neposlední řadě nákladnost řešení problému.
Navrženému řešení, předcházelo zkoumání odlitků s náhledem z mnoha různých směrů a konečné řešení bylo navrženo po ověření simulačním výpočtem. Po přímém nasazení do provozu se správnost návrhu potvrdila.
2 Teoretická část
2.1 Konstrukce pískové slévárenské formy
V této kapitole se práce zabývá návrhem slévárenské formy, seznámením s jejími částmi a jejich vlastnostmi, návrhem vtokové soustavy podloženým výpočtem a dále konstrukcí a umístěním nálitků. Všechny části musí odpovídat technologičnosti konstrukce slévárenské formy tak, aby byla vyrobitelná v provozu. Musí respektovat slévárenské vlastnosti použité slitiny. Dále je zásadní konstrukce samotného odlitku.
Při konstrukci je nutné vycházet z několika zásad, které neovlivňují pouze samotný proces lití či tuhnutí, ale i formovatelnost či naopak odformovatelnost a oddělení částí odlitku, které nejsou součástí hotového výrobku, ale pro vlastní odlití jsou nutné, jedná se například o vtokovou soustavu a nálitky. [1]
Z hlediska formování je ideální dodržet jednoduchou formu, které bude mít ideálně pouze jednu dělící rovinu, čímž se minimalizují nepřesnosti vzniklé přesazením rámů. Vhodná je minimalizace počtu jader a volných částí modelu na kterých také může vzniknout mírná nepřesnost při sestavování formy. Dále odstranění ostrých rohů a hran, které se při sestavování pískové formy mohou poškodit. [1], [2]
Z hlediska lití a tuhnutí jsou zásadní materiálové vlastnosti daného kovu, v tomto případě hliníkové slitiny. Tyto parametry ovlivňují výsledný tvar odlitku. Ostré hrany je dobré nahradit rádiusy plynulým napojením stěn, respektovat vnitřní pnutí v odlitku a tomu podřídit samotnou geometrii. Všem technologickým zásadám jsou ovšem nadřazeny požadavky zákazníka, takže je mnohdy nutné vyrábět odlitky s minimálním množstvím vad, které nejsou z pohledu technologičnosti konstrukce zcela správně. [1], [2], [3]
Dle druhu odlévané slitiny je nutné odlitek zvětšit o míru lineárního smrštění, tak, aby po ztuhnutí měl takové rozměry, jaké jsou dány ve výkresové dokumentaci hotového dílu. Následně je nutné odlitek opatřit přídavky pro obrábění, tedy místa, která nezůstanou v surovém stavu, ale je na ně vyšší požadavek na přesnost se musí zvětšit o míru, která se následně obrobí a získá se tak kvalitní povrch o definované přesnosti.[2], [3]
Vtoková soustava zajišťuje rovnoměrné rozvádění kapalného kovu do dutiny formy, zachycuje nečistoty, které by mohly odlitek znehodnotit, reguluje teplotní pole a v některých případech zajišťuje dosazování tekutého kovu do dutiny formy při tuhnutí. Přestože má vtoková soustava mnoho funkcí, ovlivňuje stupeň využití formy a kapalného kovu. Proto se konstruuje co nejúsporněji. [1], [4]
Při proudění tekutého kovu v kanálech vtokové soustavy pro běžné odlitky se dosahuje turbulentního proudění, protože rychlost proudu tekutého kovu přesáhla kritickou hodnotu. Kritická rychlost závisí na viskozitě a Reynoldsově čísle viz vzorec 1.
Turbulentní proudění ve vtokových kanálech zpravidla nejde odstranit, lze zmírnit zmenšením průměru kanálu, čímž se zvyšuje kritická rychlost proudu. Laminárního proudění se dosahuje pouze u hořčíkových slitin, kde se při odlévání tvoří nesoudržné oxidy, které se rozptylují do litého kovu a po ztuhnutí snižují mechanické vlastnosti. [1], [4]
= ϒ (1)
Vkrit – kritická rychlost [m . s-1] Rekr – Reynoldsovo číslo [-]
ϒ – kinetická viskozita kovu [m2 . s-1] D – průměr kanálu [m]
Tlakové poměry ve vtokové soustavě se popisují Bernoulliho rovnicí. Výsledek určuje zda se v dané vtokové soustavě vyskytuje přetlak či podtlak, což má významný vliv na jakost odlitků. Podtlak v kanálech je nežádoucí, neboť znamená zvýšení nebezpečí nasátí plynů skrz prodyšnou formu, oxidaci kovu či přímému naplynění.
Podobného negativního efektu lze dosáhnout při proudění kovu z úzkého kanálu do širokého. Nepříznivý podtlak nastane, když je metalostatická výška menší, než ztráty na soustavě kanálů viz vzorec 2. Kanály vtokové soustavy se proto pro pískové formy konstruují jako přetlakové. [1], [4]
< 2 + ℎ + ℎ (2) H – metalostatická výška [m]
v – rychlost proudění taveniny [m . s-1] g – gravitační zrychlení [m. s-2]
hp – ztrátová výška [m]
hz – hydrostatická výška [m]
Nálevka vtokové soustavy se konstruuje dle odlévaného kovu, pro litiny se používá vtoková jamka s hradítkem, zabraňující turbulencím při vtékání kovu do soustavy. Oceli a neželezné kovy se lijí přímo do svislého licího kanálu se zvětšeným průřezem v ústí. Ideální tvar svislého kanálu je hyperboloid 4°. Ve skutečnosti se ovšem zjednodušuje na kužel o kuželovitosti 2 – 4°. [2]
Na svislý licí kanál navazuje vodorovný rozváděcí kanál obvykle obdélníkového, nebo mírně lichoběžníkového tvaru. Dle tvaru kanálu se uvažují hydraulické ztráty, které je nutné při výpočtu dle Bernoulliho rovnice uvažovat. [2]
Počet zářezů ústících do dutiny formy závisí na rozměrech a tvaru odlitku. U malých a středně velkých odlitků se zářezy umísťují do dělící roviny. V případě velkých, nebo složitých odlitků se zářezy umísťují do spodní či horní hrany. [2]
První kov proudící vtokovou soustavou je obvykle částečně znehodnocen oxidací a turbulencí, případně jsou v něm zachycena všechna volná písková zrna a nečistoty ve formě. [2]
Výpočet vtokových soustav je zásadní pro správné naplnění slévárenské formy a je třeba jej provést před samotným návrhem rozměrů vtokového systému.
Hydraulické poměry uvnitř dutiny formy se zásadně liší s umístěním zářezů na odlitku, proto se stanovuje tzv. výška účinná, která řeší problematiku proměnlivého licího spádu, který se mění s vtékajícím kovem do dutiny formy. Výpočet se liší pro různé druhy umístění zářezů viz Obr. 1. do dutiny formy, ovšem všechny vztahy jsou pouze zjednodušeným tvarem výpočtu pro střední vtok viz vzorec 3. [1], [2]
Obr. 1 - Schéma pro určení účinné výšky
ú = 2 (3) Hú – účinná výška vtokové soustavy[m]
H – celková výška vtokové soustavy [m]
P – vzdálenost zářezů od horní části dutiny formy [m]
C – výška odlitku [m]
Následně je nutné určit hodnotu součinitele hydraulických ztrát vtokové soustavy µ. Součinitel hydraulických ztrát µ pro slitiny neželezných kovů je možné určit z Tab. 1. [1], [2]
Tab. 1 - Součinitel hydraulických ztrát µ [-]
materiál odlitku součinitel hydraulických ztrát μ [-]
slitiny neželezných
kovů
velký střední malý
0,33 0,38 0,43
Dále se určuje průřez řídícího kanálu vtokové soustavy. Tedy součet průřezů zářezů. Existuje mnoho vztahů, za nejpoužívanější lze považovat vzorec 4. [2]
∑!" #=
$μ∗ '(∗ )2 ∗ ∗ ú∗ *+ í∗ 10./0 (4)
∑Smin – součet průřezů zářezů [mm2] m – hmotnost odlitku včetně nálitků [kg]
μ – součinitel hydraulických ztrát [-]
ρo – hustota hliníkové slitiny [kg/m3] g – gravitační konstanta [s-1]
Hú – účinná výška vtokové soustavy [mm]
tlití – čas lití [s]
Následně se určí průřez jednotlivých zářezů podělením průřezu řídícího kanálu počtem zářezů. Ostatní části vtokové soustavy se spočtou dle zvoleného poměru pro přetlakovou soustavu. Pro hliníkové slitiny se volí ∑Sz:Ss:Sk = 1:1,2:1,4. [1], [2]
Objemové smršťování odlitků a zabránění vzniku staženin lze realizovat správným nálitkováním odlitku. Nálitek je zásobníkem tekutého kovu, který zabezpečuje dosazování taveniny do dutiny formy během tuhnutí odlitku. Staženina tvořící se při ztuhnutí kovu se přesouvá do nálitku mimo odlitek. V nálitku se soustřeďují rozptýlené póry a další nečistoty, které vyplouvají z tekutého kovu během tuhnutí. [2]
Odlitky se navrhují několika různými metodami. Například lze využít jednoduché metody vepsaných koulí, která je postavena na myšlence, že se nálitek musí směrem k horní hraně formovacího rámu zvětšovat. Tato metoda je ovšem zastaralá a neřeší objem nálitků, který je důležitý především pro složitější odlitky. [2]
Velice výhodná je metoda podle českého slévárenského odborníka Přibyla viz vzorec 5. [2]
23 = 2(∗ 4 5. 7
1 5 ∗ 78 9 (5)
β – smrštění taveniny při změně teplot, od lití po teplotu tuhnutí [-]
Vo – objem odlitku [mm3]
VN – součet objemu nálitků [mm3]
x – součinitel nehospodárnosti odlitku [-]
Nálitky se umisťují převážně do horní části odlitku kvůli dosažení maximálního dosazovacího tlaku. Jejich rozmístění je závislé především na konstrukci odlitku.
V případě potřeby lze kvůli tepelnému uzlu umístit nálitek z boku. [2], [4]
2.2 Materiál formy – Bentonit
Běžnou formovací směsí pro odlévání výrobků z hliníkových slitin je křemenné ostřivo s jílovým pojivem na bázi Montmorillonitu. Montmorillonit je dominantním minerálem horniny bentonit, která získala svůj název podle naleziště Ford Benton v USA. Dnes se pro montmorillonické jíly používá obchodní název bentonit. V České republice je naleziště Montmorillonitu poblíž města Most. Celosvětově je 70% odlitků vyráběných technologií gravitačního lití do pískové formy odléváno právě do bentonitových forem. [5], [6]
Na českém trhu je několik výrobců dodávajících bentonitové směsi pro slévárenství. Firma Sedlecký kaolin a. s. působící od roku 1892 se zaměřením převážně na kaoliny, které lze ve slévárenské praxi také uplatnit. Nabízí mimo další produkty právě i bentonitové směsi. Významným tradičním výrobcem je firma Keramost, a.s. se sídlem nedaleko města Most působící od roku 1880. Produkcí je široká škála bentonitových směsí využívaných ve slévárenství. [7]
Severočeské bentonity byly používány v celé ČSSR a jejich použití ve slévárenství přetrvává dodnes. Jednoduché dělení bentonitů je na neaktivované a aktivované. Neaktivované bentonity jsou vhodné pro přípravu formovacích směsí pro odlitky s krátkou dobou lití do max. 15 sekund. Dále je lze z hlediska slévárenství možno použít pro oživování výplňových formovacích směsí. [7]
Bentonity aktivované jsou nejvýznamnější pro slévárenství. Jsou vyráběny ze selektivně těžených surovin homogenního charakteru, následně šetrně usušeny a namlety. V hnětacích strojích se do přirozeně vlhkého natěženého bentonitu přidává uhličitan sodný. Aktivované bentonity jsou vhodné pro jednotné formovací směsi, tak jako směsi modelové pro všechny druhy slitin. [7]
Z pohledu výroby odlitků se hodnotí technologické vlastnosti použité směsi.
Jsou to vlastnosti směsi „za syrova“, tedy vlastnosti, které ovlivňují výrobu formy, ovlivňují formovací technologii a samotnou jakost odlitku. Dále vlastnosti směsi po vysušení, nebo zpevnění prováděném chemickou cestou, které ovlivňují mechanické parametry a kvalitu forem a jader. Klíčovým je též charakter směsi za působení vysokých teplot. Pod tímto pojmem rozumíme chování formovací směsi při vtékání tekutého kovu do dutiny formy, tyto vlastnosti ovlivňují konečnou jakost odlitku. [5]
Výhody bentonitových jílů spočívají v dobré plastičnosti a adsorpčních schopnostech. Obsah jílu ve formovací směsi je, díky vysoké vaznosti bentonitu, až 3x nižší než u ostatních jílových formovacích směsí jako jsou kaolinitické či illitické jíly.
S klesajícím obsahem jílu klesá i obsah vody a tak lze odlévat do forem na syrovo.
Vlastnosti bentonitů jsou podmíněny obsahem montmorillonitu. Za minimální množství se považuje 75-80 %, zbylé množství jsou ostatní jílové minerály jako kaolinit, llit, křemen, vápenec, a případné organické látky. [5]
Jedním z významných typů bentonitů dodávaných firmou Keramost, a.s. je KERIBENT plus. Běžně se používá ve slévárnách pro odlévání odlitků z ocelí, litin s lupínkovým a kuličkovým grafitem, a též pro odlitky z hliníkových slitin. Tento bentonit používá ve spojení se standardním křemenným pískem i firma Unitherm s.r.o.
jako jednotnou bentonitovou směs. Jedná se o hybridní aktivovaný slévárenský mletý bentonit s vysokou termostabilitou, zlepšenými užitnými vlastnostmi, se zvýšenou odolností proti osychání forem, s vyšší pevností hran formy a lepší tekutostí směsi.
Technické informativní parametry viz Tab. 2. Tato bentonitová směs je zkoušena podle metodiky firmy Keramost, a.s., která odpovídá původní normě ČSN 72 1077. Vlastnosti bentonitové směsi jsou za předpokladu suchého prostředí stálé. Rozbor a stav pískové směsi v provozu řeší zpětnovazebně dodavatel, který v přibližně čtrnáctidenních
intervalech provádí zkoušky formovacích směsí viz Příloha č. 1 a řídí úpravy a oživení směsi. [8]
Tab. 2 - Technické informativní parametry KERIBENT plus [7]
Produkt Vlhkost (%)
Zbytek na sítě 0,315 mm za sucha (%)
Zbytek na sítě 0,063 mm za sucha (%)
Vaznost * (kPa)
Pevnost v tahu v kondenzační zóně (kPa)
KERIBENT plus 7.14 max. 2,0 max. 30 min. 80 min. 2,0
* vaznost se zkouší na směsi 7% bentonitu a 93% standardního písku
2.3 Hliníkové slitiny
Hliník je v přírodě jedním z nejrozšířenějších kovů. Jeho výroba chemickou redukcí draslíkem je známá až od roku 1825 kdy ji popsal Christian Oersted. Následný rozvoj získávání hliníku chemickou cestou ve větším množství je zásluhou Saint-Claire Deville. Výroba hliníku používaná do dnes elektrolyticky z bauxitu byla představena roku 1886 Paulem T. Héroultem ve Francii a Charlesem M. Hallem v USA. Následně se začal hliník používat v průmyslových aplikacích a postupným vývojem bylo dosahováno vyšší tvrdosti a pevnosti díky jeho modifikaci. [9]
Nejzásadnějším přínosem pro vývoj hliníkových slitin a metod odlévání přinesla 2. světová válka. Převážně se rozvíjely technologie tlakového lití. Dnes se metodou gravitačního lití vyrábí pouze zhruba 5% z celkové produkce. [9]
Hliník se vyznačuje fyzikálními vlastnostmi jako je vysoká tepelná a elektrická vodivost, nízká hustota 2700 kg.m-3 a teplota tání 660 °C. Své výjimečné chemické stálosti dosahuje díky tvorbě stabilního oxidu Al2O3 na povrchu, který brání hloubkové oxidaci a zajišťuje dobrou odolnost vůči povětrnostním vlivům. Mechanické vlastnosti čistého hliníku jsou špatné, zatímco plastické velmi dobré. Proto se čistý hliník jako konstrukční materiál zpravidla nepoužívá. Mechanické vlastnosti se zvyšují legováním.
[9], [10]
Pro slévárenství se čistý hliník používá minimálně. Používají se přísadové prvky, které určují vlastnosti konečné hliníkové slitiny. Významné jsou prvky křemík, měď a hořčík. Podle nich se slitiny dělí na siluminy, duralaluminia a hydronalia. Jiné vedlejší přísadové prvky mohou příznivě ovlivnit mechanické vlastnosti, obrobitelnost, či
strukturu kovu, případně kompenzují účinky doprovodných prvků, které nebyly přidány do slitiny záměrně. Podle počtu přísadových prvků rozlišujeme slitiny binární, ternální a vícesložkové, ovšem bez ohledu na prvky doprovodné. Chemické složení je závislé na způsobu použití a vlastním způsobu výroby dílu. [9], [10]
Při výběru vhodné slitiny rozhodují technologické vlastnosti, mechanické nároky a možnost tepelného zpracování. Technologické vlastnosti souvisí s výrobou součásti.
Zásadní jsou slévárenské vlastnosti, obrobitelnost, odolnost proti korozi či svařitelnost atd. Důležitou vlastností je nepropustnost, která určuje náchylnost k pronikání tlakového média skrz stěny odlitku. [9], [10]
Pod pojmem slévárenské vlastnosti se rozumí vlastnosti související s procesem odlévání. Především se jedná o zabíhavost slitiny, sklon ke vzniku staženin nebo ředin, sklon k naplynění taveniny, vzniku plynových dutin a sklon ke vzniku trhlin. Je patrná souvislost s intervalem tuhnutí dané slitiny. Slitiny s úzkým intervalem blížící se čistému kovu či eutektickému složení mají nejlepší slévárenské vlastnosti. Slitiny s širokým intervalem tuhnutí mají zpravidla slévárenské vlastnosti špatné. Tyto slitiny mají sklon ke tvorbě staženin, dále dosazovací schopnost nálitků je pouze na krátkou vzdálenost a následně vznikají netěsné odlitky. [9], [10]
Zabíhavost určuje schopnost slitiny vyplnit dutinu formy. Rozlišujeme tekutost a zabíhavost. Tekutost je fyzikální vlastnost, která je dána viskozitou kovu a se zabíhavostí souvisí pouze částečně. Zabíhavost závisí na šířce intervalu tuhnutí dané slitiny. U slitin s úzkým intervalem je zabíhavost dobrá, slitiny s širokým dvoufázovým pásmem mají zabíhavost špatnou. Dále oxidické vměstky vyskytující se v tavenině zabíhavost snižují. Další vlivy jsou povrchové napětí, smáčivost formy či modifikace taveniny. Slitiny s dobrou zabíhavostí umožňují odlévání tenkostěnných odlitků a kopírovaní dutiny formy s dostatečnou přesností. [9], [10]
Sklon ke vzniku staženin vypovídá o objemových změnách slitiny v procesu tuhnutí a tendenci ke vzniku soustředěných, nebo rozptýlených staženin či ředin.
Slitiny blízké eutektickému bodu mají sklon ke vzniku soustředěných staženin, lze je dobře nálitkovat a odlitky mají dobrou těsnost. V případě slitin se širokým dvoufázovým intervalem lze předpokládat sklon ke vzniku rozptýlených staženin a jejich nálitkování je obtížné, stejně tak je těsnost odlitku problematická. [9], [10]
Rozpustnost plynů v tekutém kovu charakterizuje sklon k naplynění. Naplynění taveniny se snižuje přídavnými prvky a snižuje se tak tvorba plynových bublin v odlitku.
Pro odlévání je rovněž důležitý sklon k vzniku trhlin a prasklin, tedy schopnost odolávat napětí vzniklému při ochlazování. Vznik trhlin se projevuje především u tenkostěnných, tvarově složitých odlitků s rozdílnými tloušťkami stěn. [9], [10]
Tato práce se zabývá výhradně siluminy, tedy hliníkovými slitinami s křemíkem jako významným přísadovým prvkem. Siluminy jsou zásadním typem slévárenských neželezných slitin a většina odlitků se pro vyrábí právě z nich pro jejich dobré technologické vlastnosti. [9], [11]
Rozpustnost křemíku je omezena a při eutektické teplotě činí pouze 1,65% Si.
Slitiny použité ve slévárenství mají obsah křemíku zpravidla vyšší než je maximální rozpustnost v tuhém roztoku α(Al). Proto je vždy obsaženo eutektikum α(Al)-Si.
Graficky je krystalizace ve slitinách Al-Si patrná z fázového diagramu na Obr. 2. [9], [11]
Obr. 2 - Fázový diagram Al-Si a charakteristika mikrostruktur s různým obsahem Si [10]
Siluminy lze dělit podle obsahu křemíku na podeutektické, eutektické a nadeutektické. Podeutektické siluminy mají strukturu vytvořenou ze sítě primárních
dendridů fáze α(Al) a eutektika vyloučeného v prostoru mezi dendrity s obsahem 5–11
%Si. Eutektické slitiny mají strukturu vytvořenou pouze eutektikem s obsahem 11,5–13
%Si. Strukturu nadeutektických siluminu tvoří eutektická matrice v níž jsou obsaženy částice primárního křemíku s obsahem 14-17 %Si. [9], [10] , [8]
Výskyt křemíku ve slitinách je ve formě čistého prvku, jehož částice v eutektiku mohou být velikostně v rozmezí od 1 µm až po 2 mm a více. Morfologické podoby vyloučeného křemíku jsou děleny podle tvaru částic nebo podle typu eutektika, na zrnité, lamelární a modifikované. Mechanismus krystalizace určuje druh eutektického křemíku. Zárodkem pro krystalizaci jsou částice fosfidu hlinitého AIP, který se dostává do taveniny jako nečistota ze vsázkových surovin, případně ze šrotu z nadeutektických slitin, které jsou fosforem očkovány. [9], [10]
Zrnité eutektikum se vyznačuje křemíkem ve tvaru polyedrických zrn, nebo hrubých lamel. Jedná se o obvyklé eutektikum vzniklé ve slitinách běžné technické čistoty. Zrna křemíku rostou ve směru tuhnutí <112>, ve směru roviny (111) snadno dochází ke dvojčatění viz Obr 3. [9], [10]
Obr. 3 - Růst zrn křemíku [10]
Růst dendridů hliníku se zpožďuje za křemíkem, přesto obě fáze rostou nezávisle na sobě. Proto vznikají nevětvené destičkovité částice křemíku – lamely.
Jedná se o energeticky nenáročný mechanismus ke kterému dochází při přechlazení pod rovnovážnou eutektickou teplotu o 1-2 K. [9], [10]
Lamelární eutektikum vzniká v čistých slitinách s velmi nízkým obsahem sodíku a fosforu. Mechanismus růstu částic křemíku je podobný jako u zrnitého eutetika.
Podmínky pro nukleaci křemíku jsou díly menšímu obsahu podpůrných prvků nevýhodné, a je nutné větší přechlazení pod rovnovážnou eutektickou teplotu, jmenovitě o 2-5 K. Částice křemíku jsou podstatně menší, než v případě zrnitého eutektika. [9], [10]
Modifikované eutektikum může vzniknout pouze za přítomnosti modifikačních prvků, přičemž je jím nejčastěji sodík či stroncium. Eutektikum vzniká zcela jinak než u zrnitého eutektika. Difuze křemíku v tavenině se díky modifikačním prvkům snižuje.
Jejich rozdělovací součinitel je velmi nízký, a proto jsou vytlačovány z tuhnoucích částic hliníku do oblastí s vyšší teplotou. Povrchově aktivní atomy modifikačního prvku blokují růst na rozhraní krystalů křemíku a taveniny. Útvary křemíku pak rostou dvojčatěním.
Nejsilnější modifikační účinek sodíku je dán nejmenší vzdáleností rovin dvojčatění.
V modifikované slitině v důsledku mnoha rovin dvojčatění je povrch krystalů křemíku hrubý. [9], [10]
Modifikace umožňuje zlepšení mechanických vlastností odlitku. Rychlost ochlazování má vliv na stupeň modifikace. Pro silnostěnné odlitky, které tuhnou pomalu, je nutné použít silné modifikátory, zatímco tenkostěnné odlitky s vysokou rychlostí ochlazování lze modifikovat i slabšími modifikátory a tím získat jemnozrnnou strukturu. [9], [10]
Zlepšení mechanických vlastností pomocí modifikace se odehrává především u vlastností, jakými jsou plastičnost, tažnost a houževnatost. Používají se především prvky sodík a stroncium. [9], [10]
Za nejsilnější modifikátor lze považovat sodík, jehož modifikační účinek je spolehlivý i při nízkých rychlostech ochlazování. Dávkování sodíku se určuje podle rychlosti taveniny a obsahu křemíku. Nevýhodou modifikace sodíkem je zhoršení zabíhavosti a sklon k oxidaci taveniny. Při modifikaci se sodík díky nízké teplotě tavení (98 °C) rozpouští téměř okamžitě. Vznikají páry sodíku, které unikají z taveniny a způsobují bouřlivý var. Díky této negativní vlastnosti klesá využitelnost sodíku pro modifikaci. [9], [10], [11]
Pro modifikaci se využívá sodík kovový aplikovaný výhradně ve vakuovaných patronách z tenkého hliníkového plechu. Výhodou je nevnášení dalších chemických
prvků. Alternativou je použití sodíku v podobě modifikačních solí, které jsou směsmi chloridů a fluoridů dodávaných v práškové podobě či ve formě tablet. Po modifikaci se produkty reakce nechají vyplavat na hladinu a stáhnou se z ní. Poslední používanou variantou jsou exotermické modifikační tablety, které při svém hoření uvolňují sodík ve formě par. Do taveniny se předá maximálně 30% sodíku a zbytek vyhořívá na hladině.
Tablety tak zajišťují vysoké využití sodíku a zaručují reprodukovatelnost modifikace.
[9], [10], [11]
Dále se pro modifikaci využívá stroncium, které je mnohem méně reaktivní a více stabilní. Jeho použití je především v podobě předslitiny s hliníkem s obsahem 3,5- 10 %Sr. Do taveniny se stroncium dostává rozpouštěním. Rychlost rozpouštění a modifikace se zvyšuje s teplotou. [9], [10], [11]
Modifikační předslitiny jsou dodávány jako tyče o průměru 10mm a délce 0,5m, čímž se zjednodušuje dávkování na určení počtu tyčí na hmotnost taveniny.
Modifikační tyče se ponoří do taveniny, která se pro lepší nástup modifikačního účinku udržuje v pohybu, buď mechanickým, nebo indukčním mícháním. [9], [10], [11]
Stroncium se využívá především pro odlévání do kovových forem a pro slabostěnné odlitky. Pro silnostěnné odlitky lité do písku může být modifikační účinek stroncia nedostatečný. Je tedy nutné využít modifikace sodíkem, nebo kombinací obou prvků. [9], [10], [11]
Modifikace sodíkem probíhá okamžitě, zatímco pro stroncium je nutné respektovat inkubační dobu pro náběh modifikačního účinku. Prodleva před litím by měla být 5-10 minut. S delší prodlevou se zvyšuje úroveň modifikace. Odeznívání modifikačního účinku trvá několik hodin. Modifikaci lze zrušit použitím prvků obsahujících chlor, nebo fluor. [9], [10], [11]
Očkováním lze ovlivnit velikost primárních zrn a tím zásadně zlepšit vlastnosti hliníkové slitiny. Z krystalizačního zárodku nejprve rostou jednotlivé dendrity, které utváří jednotlivá zrna. Jednotlivá zrna ve hliníkových slitinách mají velikost 1-10 mm.
Význam velikosti na vlastnosti hliníkové slitiny roste s množstvím primární fáze. Tedy pro slitiny Al-Si s nižším obsahem křemíku. Při vyšším obsahu křemíku se více uplatňuje tvar eutektického křemíku a vliv primární fáze na vlastnosti slitiny klesá. [9], [10]
Očkování má za následek zlepšení mechanických i technologických vlastností díky zjemnění zrna. Projevuje se zvýšením pevnosti a tažnosti, menší pórovitostí odlitku a tím zvýšením těsnosti odlitků. V úvahu přichází též snížení sklonu slitiny ke vzniku trhlin a zlepšení obrobitelnosti. [9], [10]
Při překročení teploty pod rovnovážnou teplotu krystalizace při rychlém ochlazování dochází k velkém přechlazení taveniny, což má za následek aktivaci méně příznivých nukleačních zárodků. Výsledná struktura je pak jemnozrnná. V případě odlévání odlitků s větší tloušťkou stěny do pískové formy tohoto jevu využít nelze a slitina se vyznačuje strukturou hrubozrnnou. Úprava taveniny se provádí očkováním.
[9], [10]
Očkováním se do taveniny vnáší látky, z nichž se tvoří nukleační zárodky a tím je docíleno zjemnění primární fáze. Očkování se provádí tabletami obsahujícími směs očkovacích solí, ve složení ideálním pro danou slitinu. Obvyklá dávka bývá 0,1 - 0,4 % hmotnosti taveniny. [9], [10]
Dále se využívá očkovacích předslitin na bázi Al-Ti s obsahem titanu do 5%. Do taveniny se vnáší pro efektivní zjemnění primární fáze 0,02-0,1 %Ti. Očkovací účinek trvá asi 30-45minut. [9], [10]
Zlepšení očkovacího účinku lze přinést očkovadly s obsahem titanu a boru.
Předslitiny obvykle obsahují do 5% Ti a do 1% B. Samostatný bór jako očkovadlo nepůsobí. Kombinace předslitiny titanu a bóru se používá u silnostěnných odlitků s pomalým odvodem tepla, kde stačí velmi malé podchlazení pod rovnovážnou teplotu likvidu. [9], [10]
Efektivně lze měnit vlastnosti hliníkových slitin legováním přísadovými prvky.
Některé prvky jsou jako legury přidávány úmyslně, jiné se do slitiny dostávají ze šrotu či třeba z poškozené vyzdívky tavící pece. Následující prvky ovlivňují konečné vlastnosti slitiny:
Základní přísadový prvek slitin Al-Si je křemík. Jeho zásadní přínos je takřka ve všech slévárenských vlastnostech. Mechanické vlastnosti slitiny se ale zlepšují též legováním dalšími prvky. V případě vysokého obsahu křemíku je vhodné slitinu modifikovat, při nízkém obsahu křemíku očkovat, případně provést jejich kombinaci. Se
zvyšujícím se obsahem křemíku se zvyšuje zabíhavost, naopak klesá součinitel stahování během tuhnutí a nebezpečí vzniku trhlin či prasklin také klesá. Obsah křemíku nemá významný vliv na pevnost a tažnost. [9], [10]
Nejčastěji se do siluminů přidává měď a její obsah se pohybuje do 5 %Cu. Má v hliníku omezenou rozpustnost. Rozšiřuje interval tuhnutí siluminů a tím zhoršuje odolnost vůči vzniku ředin a trhlin za tepla. [9], [10]
Měď se do slitiny dostává především ze vsázkového železa. Pro legování se používají předslitiny Al-Cu. Měď nelze ze slitin odstranit. Zvyšuje pevnost a tvrdost, zároveň snižuje tažnost a výrazně zlepšuje obrobitelnost. [9], [10]
Významný je i hořčík především díky možnosti vytvrzování hliníkových slitin.
Vliv na slévárenské vlastnosti je minimální, význam z hlediska pevnosti je také malý, snižuje ovšem tažnost. Přidává se 0,3-0,7 %Mg, čím více hořčíku tím větší pevnosti po vytvrzení se dosahuje. [9], [10]
Vliv železa je nepříznivý na mechanické vlastnosti a ve slitině se považuje za nečistotu. Obyčejně se do slitiny dostává ze vsázky, nebo tavírenského nářadí či kovových forem. Nejedná se o tavení železa, ale rozpouštění. [9], [10]
Železo nemá v tuhém hliníku téměř žádnou rozpustnost. I při malém obsahu tvoří intermetalické sloučeniny, které mají obvykle jehlicový charakter rozrušující strukturu siluminu. V případě pomalého ochlazování vznikají hrubé částice fází železa, které mají významný nepříznivý vliv na mechanické vlastnosti. Drobnější částice vylučující se při intenzivním ochlazování jsou mnohem méně škodlivé. Obsah železa pro běžné odlitky je do 0,6%. [9], [10]
Manganem se kompenzují výše popsané nepříznivé vlivy železa ve slitinách Al- Si. Obsah manganu by měl být roven asi polovině obsahu železa. Vliv na slévárenské vlastnosti je zanedbatelný. Mechanické vlastnosti se zvyšují právě díky negativnímu vlivu železa, hlavně snížení křehkosti. [9], [10]
Slitiny s niklem mají menší součinitel teplotní roztažnosti. Používají se tedy pro tepelně namáhané díly. Slévárenské vlastnosti se s obsahem niklu zhoršují. Slitiny s obsahem 1-2 %Ni zachovávají dobré mechanické vlastnosti i za zvýšených teplot. Nikl nemá vliv na odolnost proti korozi a obrobitelnost. [9], [10]
Netypická legura je zinek, která se používá především pro zvýšení tekutosti a obrobitelnosti u slitin Al-Si-Cu. Při obsahu do 3% Zn dochází k mírnému zlepšení mechanických vlastností, v případě většího obsahu roste sklon ke vzniku trhlin. [9], [10]
Titan se používá pro svůj očkovací účinek v množství do 0,2% Ti. Očkovací účinek se zvyšuje přidáním Bóru. Vliv titanu na vlastnosti slitiny souvisí se zjemněním primárního zrna. [9], [10]
Vápník se do slitin Al-Si dostává s křemíkem, ve větším množství má slabé modifikační účinky, ale jako modifikátor se nevyužívá. Zvyšuje sklon k naplynění a tvorbě mikrostaženin. Je ve slitině nežádoucí. [9], [10]
Berylium vytváří i při malém množství na hladině taveniny ochrannou vrstvu, která slitinu chrání před oxidací. Dále ovlivňuje morfologii intermediálních fází železa a tím zlepšuje mechanické vlastnosti. [9], [10]
Chrom, vanad a bór se používají pro zjemnění primárního zrna. [9], [10]
Olovo, kadmium a bizmut jsou prvky s nepříznivým vlivem na houževnatost odlitku. [9], [10]
Lithium snižuje hustotu odlitku a používá se do 5 %Li. Jedná se o speciální aplikace pro letectví. Zhoršuje technologické a metalurgické podmínky. [9], [10]
Kobalt stejně jako nikl snižuje nepříznivý vliv železa. [9], [10]
Stříbro má významný vliv pro vytvrzování. Vytvrzené slitiny s obsahem stříbra do 1% mají pevnost v tahu až 500 MPa. [9], [10]
Slitina AlSi10Mg použitá v pro odlitek popsaný v experimentální části odpovídá normě ČSN 42 4331 se složením 9,0-10,5 %Si, 0,25-0,45 %Mg. Jedná se o mírně poeutektickou slitinu s nízkým obsahem doprovodných látek, jejíž výborné slévárenské vlastnosti umožňují odlití složitých tenkostěnných odlitků. Pro odlévání v pískových formách je nutné provést modifikaci sodíkem. Při tuhnutí nemá sklon ke tvorbě staženin. Díky legování hořčíkem umožňuje tato slitina zvýšení mechanických vlastností vytvrzováním. Přesto je odlitek v experimentální části použit bez tepelného zpracování.
[9], [10]
3 Experimentální část
Tato část práce se zabývá reálným řešením problému odlitku ze slitiny AlSi10 od firmy Unitherm s.r.o, která tento díl dodává společnost Busch Vacuum pumps and Systems. Jedná se o odlitek tělesa odlučovače oleje pro vakuovací stroje využívaný v potravinářství, farmacii a dalších odvětvích. Na odlitek jsou kladeny zvýšené nároky co se týče povrchových vad, tak vad vnitřních, které se mohou projevit až na konci výrobního cyklu po finálním obrobením. Dále jsou zvýšené nároky na těsnost a nepropustnost materiálu. V dutině odlitku se nachází separovaný olej z provozu vakuové vývěvy a ten je nutné z hlediska bezpečnosti, ekologie a především vlastní funkce stroje uchovat uvnitř. Těsnost je zkoušena již při výrobě společností Unitherm s.r.o. Konkrétně se jedná o díl pro rotační lamelovou vývěvu Busch R5 RA 0160 – 0302 D viz Obr. 4. S koncovým tlakem 0,1 hPa a jmenovitou čerpací rychlostí 160 – 300 m3/h, která je použita pro aplikace, kde je třeba nepřetržitého provozu v nízkých oblastech vakua, např. při vakuovém balení.[12]
Obr. 4 - Vakuová pumpa Busch R5 s odlučovačem oleje [12]
3.1 Konstrukce odlitku
Geometrie dílu je dána požadavky zákazníka a není možné na ní měnit žádné parametry. Jedná se o rozměrný tenkostěnný odlitek skříňového charakteru
s nestejnoměrnou tloušťkou stěny, rozměrnou horní a spodní podstavou se slabými žebry po stranách.
Odlitek je opatřen dvěma eliptickými nálitky, které dosazují kov ve středové části odlitku, další nálitky jsou umístěny v rozích odlitku, kde dosazují kov v zesílených místech odlitku viz Obr. 5.
Obr. 5 - 3D model odlitku včetně všech součástí
3.2 Zkoumání vad odlitku
Firmou Unitherm s.r.o. byly dodány dva kusy výřezů problematického místa zesílené kapsy získané z vadných odlitků viz Obr. 6. Jednalo se o odlitky po konečném opracování, které byly podrobeny tlakové zkoušce a vyřazeny. Vady na vzorcích byly viditelné pouhým okem. Mají charakter vlasových prasklin, které se v případě většího výskytu spojují v síť [13]
Obr. 6 - Výřez s označeným problematickým místem
Dodané vzorky byly upraveny na metalografické pile Delta AbrasiMet od společnosti Buehler, tak aby bylo možné je zpracovat jako metalografický výbrus.
Z poskytnutých výřezů byly odděleny tři kusy vzorků, které byly následně jednotlivě zality do hmoty Dentacryl. Po vytvrzení vzorků byly podrobeny broušení a leštění na brusce a leštičce metalografických vzorků Phoenix 4000. Nejprve byly vzorky obroušeny brusným papírem o drsnosti 200 a následně v krocích se vzrůstající drsností v kroku po 200 byly vzorky obroušeny v každém kroku dlouhém 300sekund při otáčkách 300ot./min. Následně byly vzorky rozleštěny na leštícím plátně za použití diamantové pasty.
Vzorky byly zkoumány na opticko digitálním mikroskopu Olympus DSX500 s optickým zvětšením 13x, který umožňuje vyhodnocování vzorků na obrazovce počítače. Mikroskop umožňuje vykreslení 3D struktury povrchu, na které lze určit hloubku jednotlivých povrchových vad před broušením viz Obr. 7. Detailní zobrazení vady viz Příloha č. 2.
Obr. 7 - 3D model praskliny
Po vyleštění bylo možné zkoumat rozsah jednotlivých vad. Mikroskop umožňuje měření přímo na vzorku. Největší šíře praskliny byla až 800 μm viz Obr. 8, kde je zobrazena vada o šířce 378 μm. Délka jednotlivých prasklin byla v řádu desítek mm.
Dále se v problematickém místě nachází množství samostatných pórů. Hloubka prasklin dosahovala celého průřezu vzorku, čímž způsobovala prolínání media při tlakové zkoušce. Další snímky vad viz Příloha č. 3 - 6.
Obr. 8 - Vady zobrazené optickým mikroskopem
3.3 Simulační výpočet odlitku odlučovače oleje
První simulační výpočet v programu Magma 5.2 byl zaměřen na zjištění průběhu odlévání výchozího stavu. Simulační výpočet tedy odpovídá reálným podmínkám zjištěným za provozu. 3D model odlitku je naprosto stejný jako konečný odlitek produkovaný slévárnou Unitherm s.r.o. Pozice, velikost a geometrický tvar nálitků má rovněž stejné parametry jako reálný stav. Stejně tak je tomu i u vtokové soustavy.
První simulační výpočet proběhl z důvodu seznámení s reálným průběhem odlévání. Probíhalo zkoumání chování taveniny uvnitř dutiny formy. Vyhodnocovala se funkce jednotlivých částí formy a lokalizovala se kritická místa pro možný výskyt vad.
Získaná data ze simulačního výpočtu byla porovnána s praxí.
Konečná geometrie odlitku je dána firmou Busch Vacuum Pumps and Systems.
Tvar nelze kvůli řadě kotevních prvků, vyústění a přírub měnit. Stejně tak jsou přibližně dána místa nálitků, či vtoků.
Vtoková soustava je nesymetrická se třemi zářezy viz Obr. 9. Je umístěna na nepohledové straně. Zářezy jsou umístěny na vrchol žeber odlitku, tento parametr je opět dán zákazníkem a není možné stranu plnění odlitku měnit. Vtokový kůl tvaru komolého kuželu je umístěn ve středu odlitku, navazuje na něj struskovák, který rozvádí taveninu do stran. Na obou větvích struskováku jsou umístěny filtry dodávané firmou Lanik s.r.o. v netypickém rozměru 50x50x8,5. Úlohou filtrů je zachycovat nečistoty z taveniny, dále rozrušit proud taveniny a promísit jej. Jejich rozměr je dán typem originálního modelového zařízení společnosti Unitherm s.r.o.
Obr. 9 - Nesymetrická vtoková soustava
Na levé straně vtokové soustavy jsou umístěny dva zářezy s velkou šířkou a malou výškou, umožňující plynulé plnění formy bez víření, zatímco pravá strana je opatřena pouze jedním zářezem, jehož průřez je roven součtu průřezů zářezů levé strany. Je tomu tak z důvodu nutnosti zaplnit silnější stěnu odlitku. Dále je charakteristika tuhnutí řízena dvěma chladítky umístěnými na bok do zesíleného místa odlitku. Úlohou chladítek je posunout tepelný uzel tvořící se v silnější stěně směrem k nálitku.
Veškerá vstupní data použita v simulačním výpočtu výchozího stavu odpovídají skutečnému odlévání, proto bylo nutné získané podklady od společnosti Unitherm s.r.o. upravit dle posledních modifikací provedených v modelárně. Konkrétně se jednalo o vyplnění dutého nefunkčního místa, které tvoří kapsu viz Obr. 10, která byla problematická již v okamžiku výroby jader.
Obr. 10 - Detail problematické kapsy v odlitku
Konečnou podobu 3D dat dodaných ve formátu .stp zpracovaných v modelačním softwaru SolidWorks 2015 bylo nutné převést do formátu .stl v programu Inventor 2015 se kterými je Magma 5.2 schopna pracovat, respektive je umožněna díky licenci pro import CAD dat v tomto formátu. Tato kombinace převodů dat byla jedinou dostupnou funkční cestou pro získání kýženého výsledku. Konečná úprava dat byla provedena v softwaru Inventor 2015. Zde se jednotlivé části odlitku rozdělily a uložily zvlášť, tak aby bylo možné je v Magmě 5.2 postupně identifikovat a měnit jejich parametry.
Následně bylo možné jednotlivé soubory volbou pro import CAD dat vložit do simulačního softwaru. Geometrie ve formátu .stl zachovává absolutní pozicování dílců, proto na sebe jednotlivé části ihned po importu navazují. Případná korekce vadných sektorů vzniklých při rozdělování modelu na části lze opravit v Magmě 5.2, která umožňuje úpravu geometrie, případně tvorbu nových částí.
Magma 5.2 umožňuje tvorbu odlitku a jeho součástí přímo v jejím 3d modelačním prostředí, které sice nedosahuje takových kvalit jako softwary zaměřené výhradně na tvorbu 3d modelů, ovšem jednoduché korekce, případně doplněné v ní lze efektivně vytvořit.
V tomto případě se jednalo o tvorbu dvou kvádrových těles umístěných z boku odlitku v zesíleném místě viz Obr. 11. Později byla těmto tělesům definována funkce chladítek.
Obr. 11 - Kompletní model s chladítky
Jednotlivým částem modelu je nutné definovat jejich vlastnosti. Každá část je definována zvlášť a je možné měnit její parametry na základě skupiny, ke které patří.
Zvlášť je definován odlitek, jednotlivé části vtokové soustavy, stejně tak samotná forma a jádra. Následně se definují výfuky, které jsou v tomto případě umístěny na vrcholcích nálitků. Vše je patrné z Obr. 11, kde je každá část jinak barevně rozlišená pro jednoduchou orientaci v modelu.
Vrchol svislého vtokového kůlu je označen jako inlet, tedy vstup pro taveninu.
Jeho plnící efektivita je stanovena na 80%, což značí maximální využití jeho průřezu na vstupu. Dále je na vtokový kůl umístěno 36 trackovacích bodů, díky kterým lze sledovat proudění taveniny kovu.
V dalším kroku se pro každou část modelu stanovují její vlastnosti. Je nutné určit druh litého kovu, v tomto případě se jedná o slitinu AlSi10Mg jejíž specifické vlastnosti jsou již v databázi simulačního softwaru. Zda složení odpovídá reálným podmínkám bylo ověřeno spektrální analýzou s výsledky viz Tab. 3. Dále je třeba zadat
licí teplotu, při které je kov odléván. Licí teplota získaná reálným měřením je 760 °C.
Dále doba za jakou je dutina formy naplněna ze 100% své kapacity včetně naplnění nálitků. Čas odlévání byl stanoven experimentálně změřením doby odlévání série 10 ks a z nich byl stanoven aritmetickým průměrem čas 40s.
Tab. 3 - Chemické složení slitiny AlSi10
Si[%] Fe[%] Cu[%] Mn[%] Mg[%] Zn[%] Ti[%] Sn[%] Sr[%] Zr[%] Al[%]
10,97 0,288 0,049 0,05 0,29 0,057 0,013 0,005 0,001 0,001 88,26
Následně se určuje specifické složení formovací směsi. Zde bylo možné vycházet z dat dodávaných pravidelně firmou Keramost, a.s., která použitou formovací směs pravidelně kontroluje. Z protokolu zkoušek formovací směsi viz Příloha č. 1 lze získat všechna potřebná data pro vytvoření nového materiálu v databázi. Jedná se o protokol z období, kdy byla odlévána série odlitků odlučovače oleje se zmetkovitostí asi 13%.
Pro vytvoření nového materiálu v databázi simulačního softwaru byl použit aritmetický průměr hodnot formovací směsi viz Tab. 4.
Tab. 4 - Výsledné hodnoty zkoušky formovací směsi
č.
zk.
vlastnost Ø
označení JFS
1 vlhkost směsi % 2,96
2 spěchovatelnost % 44,14
4 prodyšnost n.j.p. 98,21
5 vaznost kPa 106,39
6 pevnost ve štěpu kPa 22,64
7 poměr štěp/vaznost 0,21
9 pevnost v tahu v kondenzační zóně kPa 1,77
10 hmotnost zkušebího válečku g 149,52
11 obsah vyplavitelných látek % 8,46
13 podíl zrn pod 0,125 mm % 18,29
14 adsiroce MM mg/g směsi 18,39
15 používaná známka bentonitu Keribent plus 16 adsorpce MM u nového bentonitu mg/g bent 317,99
17 obsah aktivního bentonitu (MM) % 5,78
26 elektrická vodivost směsi µS/cm 426,93
27 střední zrno ostřiva d50 po výplavě mm 0,20
28 pravidelnost zrnitosti ostřiva 45,66
Pevnost při spěchovatelnosti 43-47 % Původní vlhkost - 3,09%
Poté je nutné přiřadit odpovídající vlastnosti ostatním částem formy, které lze úspěšně vybrat z databáze Magma 5.2. Chladítka jsou vyráběny z litiny s lupínkovým grafitem dle normy EN-GJL-250. Stejně tak lze definovat i filtry na vtokové soustavě, kterým je přiřazena propustnost 10 ppi dle tabulky výrobce Lanik Vukopor. Veškeré zadávané vstupní parametry jsou patrné z Tab. 5.
Tab. 5 - Vstupní parametry pro simulační software Magma 5.2
Materiál odlitku AlSi10Mg (EN AC-43200)
Licí teplota 760 °C
Chemické složení Hodnoty viz tabulka 2
Čas plnění 40 s
Materiál formy Keribent plus viz tabulka 3 Materiál jádra Silica waterglass
Teplota formy a jader 25 °C
Materiál filtrů Ceramic foam Propustnost filtrů 10 ppi
Materiál chladítek EN-GJP-250
Zvýšenou pozornost je nutné věnovat tvorbě simulační sítě. Magma 5.2 umožňuje několik variant definice sítě. Nejjednodušším dělením na elementy je zadání jejich pevného počtu. Následně je celý objem formy, odlitku a příslušenství rozdělen na daný počet krychlí. Výhodnějším dělením odlitku je na definované elementy tvaru kvádru s delší stranou ve směru největší tloušťky stěny. Odlitek a formu je možné rozdělit na skupiny s různou důležitostí a tím regulovat hrubost simulační sítě. Lze tak ve velkém objemu formy snížit množství elementů a snížit tak dobu trvání samotného výpočtu simulace. V tenkých místech odlitku je třeba kontrolovat počet elementů.
Minimální počet elementů ve stěně odlitku je tři viz Obr 12.
Obr. 12 - Detail sítě na slabém žebru
Optimálním způsobem tvorby simulační sítě je použití volby Equidistant, které umožňují růst elementů od důležitých detailů po méně důležitá místa na okrajích formy. Jednoduše lze tento systém tvorby simulační sítě vysvětlit na příkladu: Odlitek se slabými žebry je zařazen ve skupině s nejmenšími elementy, protože jeho vyhodnocení musí být nejpřesnější, velikost elementů je stanovena právě tak, aby na žebrech byly vedle sebe právě minimálně tři elementy. Odlitek je v přímém styku s formou a jádry, která jsou zařazena ve skupině s hrubší simulační sítí. Equidistanty umožňující postupný růst elementů od styku ploch odlitek a forma či jádro viz Obr. 13, kde je patrný jiný rozměr elementů jádra. Proto u stěny na straně formy či jádra jsou elementy se stejnými parametry jako má samotný odlitek a směrem od odlitku se velikost zvětšuje. Takto lze efektivně a přesně určit velikost elementů s ohledem na optimalizaci času, po který bude probíhat simulační výpočet.
V tomto konkrétním případě pro rozměrný tenkostěnný odlitek se svislými slabými žebry a objemnou formu a jádra bylo použito volby equidistant s rozdělením do tří skupin z důvodu rozdílného geometrického růstu v různých směrech. Největší množství simulačních elementů bylo uplatněno pro odlitek, kde byly použity kvádrové elementy s delší stranou ve směru svislé osy Z. Další skupina simulační sítě byla použita
pro vtokovou soustavu, kde kvůli plochým zářezům bylo nutné použít kvádry s menším rozměrem na ose Z, kvůli zachování 3 elementů vedle sebe. Poslední skupina byla pro materiál formy, kde byly použity zhruba dvojnásobné elementy. Konečný počet elementů byl simulačním programem stanoven zhruba na 20 000 000.
Obr. 13 - Detail simulační sítě s použitím equidistant
Po dokončení konfigurace lze simulační síť zkontrolovat. Magma 5.2 odhaluje kritická místa sítě automaticky. Nejčastějším problémem jsou tzv. thin walls, tedy slabé stěny s podkritickým množstvím simulačních elementů. Tento problém lze efektivně vyřešit zmenšením elementů v dané skupině. Dále detekuje místa styku kovu s atmosférou. Případně lze odhalit vady modelu způsobené tím, že na sebe jednotlivé části nenavazují, čehož lze lehce dosáhnout ztrátou dat při rozdělování modelu na jednotlivé části.
V dalším kroku je nutné stanovit požadavky na simulační výpočet. Je nutné určit kritéria, která bude simulační program zpracovávat a s jakou přesností je
vyhodnocovat. Standardně simulační program vyhodnocuje teploty a tlaky při plnění a tuhnutí formy. Pro oba stavy lze nastavit libovolné krokování. Vzhledem k požadavkům na detailní výsledky simulačního výpočtu byla velikost kroku stanovena na 0,5%
v celém rozsahu výpočtu. Dále byla pro výpočet určena následující kritéria: zdravost odlitku, tepelné uzly a vyhodnocení porozity. Zdravost odlitku detekuje vady v odlitku.
Porozita nastiňuje možný výskyt pórů uvnitř odlitku. Tepelné uzly stanovují správnost návrhu nálitkování celého odlitku.
3.3.1 Vyhodnocení simulačního výpočtu
Po úspěšném dokončení simulačního výpočtu je nutné vyhodnotit výsledky.
Simulační program umožňuje pohled do nitra odlitku při jeho odlévání, umožňuje pozorovat vznik kritických míst pro tvorbu vad v řezech. Simulační program vyhodnocuje jednotlivá zadaná kritéria, ovšem návrh opatření pro odstranění vad je na technologovi.
Magma 5.2 umožňuje náhled na zdravost odlitku (soundness), která je vyhodnocena na základě materiálových vlastností použitých materiálů. Dle tohoto kritéria lze určit, zda zvolená slitina odpovídá definovaným technologickým podmínkám. V případě použitého řešení viz Obr. 14 je zřejmé, že nastavené technologické podmínky, konstrukce formy a materiál jsou zvoleny správně. Dle zobrazené stupnice je patrné, že kritická místa v odstínech červené a modré barvy se vhodně vyskytují se na vrchu nálitků. Možný výskyt problémových míst v odstínech žluté barvy je v řádu desetin procent a to pouze na místech, která nejsou funkčně důležitá. [14]
Obr. 14 - Zdravost odlitku
Dalším vyhodnocovaným kritériem jsou tepelné uzly (hot spots). Toto kritérium vyhodnocuje vznik míst, kde kov tuhne naposledy. Teorie slévárenství vyžaduje vznik tepelných uzlů až v nálitcích, aby nedošlo k jejich uzavření v odlitku a následnému vzniku staženin uvnitř odlitku. [15]
Na Obr. 15 jsou patrná problémová místa a to především na straně velkého zářezu, kde je tavenina nejteplejší díky dvojnásobnému průtočnému množství a díky nejsilnější stěně odlitku se zde udržuje velké množství kovu s nedostatečným odvodem tepla. Následkem toho dochází k posunutí tepelného uzlu z nálitku do těla odlitku.
Nejvýznamnější místa z hlediska vzniku vad jsou znázorněna odstíny žluté a červené barvy. S odstíny fialové a modré nebezpečí vzniku vad klesá.
Obr. 15 - Tepelné uzly
Vyhodnocení porozity (total porosity) víceméně odpovídá zdravosti odlitku s tím, že jsou zde vyhodnocována další kritéria jako je uzavřený vzduch v materiálu odlitku. Odlitek nevykazuje žádné další kritické místo viz Obr. 16, krom již zmiňované oblasti v okolí krajního zářezu. Reálný vznik vad odpovídá vadám nalezeným při simulačním výpočtu. Další vady, které simulační výpočet detekuje se při výrobě neobjevují, případně při tlakové zkoušce odlitku nejsou potvrzeny.
Obr. 16 - Možná porozita odlitku
Funkce plnění formy graficky znázorňuje šíření taveniny dutinou formy v závislosti na čase a teplotě. Ideální pro sledování taveniny je použití funkce rentgen, která udělá dutinu transparentní a je možné pozorovat vtékající kov viz Obr. 17. Lze nastavit vlastní rozsah teplot pro plnění je vhodné použít teplotní škálu od teploty lití po teplotu liquidu (liquidus – inintial), tedy rozsah, kdy je slitina v kapalném skupenství.
Vyšší teploty (760 °C) mají odstíny žluté postupně přecházející do červené a nejnižší teploty blížící se křivce liquidu (595 °C) přecházejí do odstínů modré. [15]
Obr. 17 - Počátek plnění formy
Dále je možné pro detailní zkoumání vytvořit řez v libovolné rovině a sledovat proudění v detailu. Rychlosti a směry taveniny lze znázornit pomocí vektorů, které mají, dle rychlosti v daném místě, různou délku viz Obr. 18.
Obr. 18 - Použití vektorů pro určení směru proudění taveniny
Celý proces plnění dutiny formy probíhá klidně. V čase 2,8 s vtéká první tavenina do formy bez větší tepelné ztráty. Nejprve se zaplňuje dno a v místech mezi zářezy je patrný zvýšený odvod tepla mezi jednotlivými žebry, na nichž klesla teplota zhruba na 600 °C. Po slití proudů se začíná hladina taveniny zvedat a plní se boční stěny. Prouděním nové taveniny se relativně nižší teplota mezi žebry mírně zvýšila a nejchladnějším místem je dle očekávání nejvzdálenější místo formy od zářezů, které má v čase 18 s (zaplnění formy 46%) 620 °C. Podobné tepelné podmínky vznikají i ve střední příčce odlitku mez jádry. Následně se v čase 2 8s plynule zaplní vrchní část formy. Celý odlitek je zaplněn za 33 s s relativně velkým rozdílem teplot, zatímco v místě zářezů je teplota blízká teplotě lití, v místě nejvzdálenějším se teplota blíží křivce liquidu. Proces plnění končí zaplněním nálitků v čase 40 s.
Jako nejzásadnější je patrné přehřátí v okolí osamoceného zářezu viz označené místo na Obr. 19, které je způsobeno zvýšeným objemovým průtokem daným místem a zesílenou stěnou, kterou je nutné zachovat, protože se jedná o kotevní bod hotového odlitku. Odvod tepla měl být zvýšen chladítky, která jsou v blízkém okolí umístěna. [16]
Obr. 19 - Plnění odlitku v konečné fázi s přehřátým místem
Ze simulace plnění formy žádná další kritická místa nejsou patrná, odlitek se naplní v celém objemu bez uzavírání vzduchu, či nežádoucího víření taveniny. Proto je nutné zaměřit se především na přehřáté místo, ve kterém vznikají vady i u reálného výrobku.
Tuhnoucí odlitek je ideální pozorovat s vypnutou funkcí rentgenového pohledu, v různých řezech problémových míst viz Obr. 20, jejichž umístění lze odhadnout již dle simulace plnění, případně dle dalších kritérií, jakými jsou teplotní uzly či pórovitost.
Teplotní rozsah je stanoven na rozmezí mezi křivkami liquidus a solidus pro danou slitinu tedy 595 – 555 °C. Poslední místo na odlitku tuhne v čase 860 s. Nejintenzivnější odvod tepla je od volných stěn opatřených žebry, které zvětšují povrch a mají chladící efekt.
Obr. 20 - Řez odlitkem v místě s nejvyšší teplotou
Simulace tepelných uzlů naznačovala, že tuhnutí nebude probíhat zcela optimálně v místě krajního nálitku v blízkosti zvětšeného zářezu. V problémovém místě odlitku v blízkosti silného místa s montážní kapsou viz detail na Obr. 21., dochází k uzavírání tepelného uzlu pod nálitkem. V čase 600 s je patrné, že se teplota v krčku nálitku blíží křivce solidu (555 °C) zatímco oblast pod ním má teplotu zhruba o 30 °C vyšší. Zde tavenina zůstává uzavřena v odlitku, zatímco v krčku nálitku je již ztuhlý kov.
