Vliv odplyn ní slitiny AlSi10Mg (EN AC 43000) na její vlastnosti p i gravita ním odlévání do kovové formy

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta strojní Katedra materiálu

Studijní program: M 2301 Strojní inženýrství Obor: 2303 T 002 Strojírenská technologie

Zam ení: Materiálové inženýrství

Vliv odplyn ní slitiny AlSi10Mg (EN AC 43000) na její vlastnosti p i gravita ním odlévání do kovové formy

Influence of degasification AlSi10Mg alloy (EN AC 43000) on characteristics at gravity-die casting

DAVID DUŽDA

KMT 224

Vedoucí práce: doc. Ing. František Stuchlík, Csc.

Konzultant: Ing. Ji í Crha

ANOTACE:

Tématem práce je ur ení vlivu odplyn ní na mechanické vlastnosti u slitiny AlSi10Mg.

Teoretická ást se zabývá obecným p ehledem nej ast ji používaných hliníkových slitin ve slévárenství, vlivem jednotlivých p ísad a p ím sí na vlastnosti slitin a jejich zna ením dle SN EN 1706. Dále popisuje problematiku naplyn ní slitin, zp soby odply ování a p ípady kdy se provádí naply ování. V praktické ásti jsem provedl m ení tvrdosti, meze kluzu, meze pevnosti a tažnosti u ty reprezentativních druh ošet ení taveniny. Práce obsahuje i snímky mikrostruktury jednotlivých druh tavenin.

Klí ová slova: siluminy, slitina AlSi10Mg, odplyn ní, porezita, plyny v hliníku

ANNOTATION:

The topic of this thesis is determination of the influence of degasification on mechanical characteristics of alloy AlSi10Mg at gravity-die casting. The theoretical part deals with general summary of the most commonly used aluminium alloys in foundry industry and with the influence of other ingredients and foreign substances on the characteristics of the alloy and their codes in accordance with the Czech Standard SN EN 1706. Further are discussed the issues of gas content in alloys, methods of degasification and cases when gas saturation is carried out. In the practical part measurements of hardness, yield value, ultimate strength and elongation of four representative kinds of smelt were carried out. The thesis includes pictures of microstructure of each smelt sample.

Keywords: silumins, AlSi10Mg alloy, degasification, porosity, gases in aluminum

V úvodu této práce bych rád pod koval firm Unitherm s.r.o. sídlící v Jablonci nad Nisou za to, že mi poskytla zázemí na provedení diplomové práce. Dále bych rád pod koval Technické univerzit v Liberci a zam stnanc m katedry materiálu za podporu p i provád ní praktických zkoušek. V poslední ad bych rád pod koval svému konzultantovi Ing. Ji ímu Crhovi a vedoucímu mé práce panu doc. Ing. Františku Stuchlíkovi za vedení p i ešení a vypracování této práce.

OBSAH

Strana

TEORETICKÁ A REŠERŽNÍ ÁST

1. Výroba a historie používání hliníku a jeho slitin 3

2. Vlastnosti istého hliníku 4

3. Teorie slévárenských hliníkových slitin 7

3.1 Vliv p ísad na vlastnosti slitin hliníku 10

3.2 Rozd lení slitin hliníku 15

4. Ozna ování slévárenských slitin hliníku 17

4.1 íselné zna ení slitin dle SN EN 1706 17

4.2 Zna ení slitin chemickými zna kami dle SN EN 1706 18 5. Typy slévárenských slitin hliníku a jejich charakteristika 19

5.1 Slitiny typu Al-Cu a Al-Cu-Si 19

5.2 Slitiny typu Al-Mg 20

5.3 Slitiny typu Al-Zn a Al-Zn-Mg 20

5.4 Slitiny typu Al-Si-Cu 21

6. Slitiny typu Al-Si 22

6.1 Slitiny typu Al-Si-Mg 23

6.1.1 Slitina AlSi10Mg (EN AC-43000) 25

7. Plyny ve slitinách hliníku 28

7.1 Zdroje vodíku 28

7.2 Mechanismy vzniku plynových dutin v odlitcích 30

7.3 Porezita v odlitcích 31

7.4 Odply ování hliníkových slitin 34

7.5 Zp soby odply ování aktivními a neutrálními plyny 36

7.6 Naply ování taveniny 37

Strana

PRAKTICKÁ ÁST

8. Cíle práce 38

8.1 Spektrální analýza 40

8.2 Naplyn ní vzork 43

8.3 M ení tvrdosti 46

8.4 M ení meze kluzu, meze pevnosti a tažnosti 50

8.5 Mikrostruktura 55

9. Záv r 66

Seznam použité literatury 69

TEORETICKÁ A REŠERŽNÍ ÁST

1. Výroba a historie používání hliníku a jeho slitin

[3,6,7,8]

Jedním z nejrozší en jších kov vyskytujících se v p ístupné ásti zemské k ry je hliník.

Vyskytuje se zde v množství, které iní asi 8% (zaujímá tak t etí místo za kyslíkem a k emíkem) a je vázán ve form slou enin jako jsou nap . bauxit, kryolit, spinely, kaolin apod.

Jako základní surovina na výrobu hliníku se používá bauxit (podle svého nalezišt , m sta Les Baux - Francie) – hydratovaný oxid hlinitý, s obsahem oxid železa, k emíku a titanu, v n mž obsah Al2O3 bývá kolem 50%. Odtud se hliník získává elektrolýzou roztoku hlinitého v roztavených fluoridech.

Výrobní proces se skládá z následujících etap:

1) výroba oxidu hlinitého z hlinitanových rud; proces se skládá z mletí, chemického zpracování hlinitanových rud loužením a následného žíhání na 1200-1300°C

2) redukce oxid na kovový hliník elektrolytickým zp sobem z elektrolytu, kterým je roztavený kryolit (Na3AlF6) a v n m rozpušt ný oxid hlinitý (Al2O3) p i teplot 950- 970 °C

Proces výroby hliníku je velmi energeticky náro ný. Nap . k výrob 1 t hliníku je zapot ebí asi 4 t bauxitu, zhruba 20GJ tepelné energie a 14 MWh elektrické energie. Takto získaný hliník je istoty až 99,9%.

Z hlediska historického je používání hliníku, oproti jiným kov m, velmi krátké.

• Poprvé byl hliník laboratorn získán chemickou redukcí draslíku roku 1825 dánským fyzikem a chemikem Hansem Christianem Oerstedem.

• Roku 1854 Francouz Henri Saint-Claire Deville vyrábí za finan ní podpory císa e Napoloeona III. již technicky významn jší množství (ty hmotnosti 1 kg). Tento výrobek p edstavuje ve ejnosti o rok pozd ji na sv tové výstav . Cena se pohybovala okolo 2000 frank .

• Výrobu hliníku elektrolýzou bauxitu v roztaveném kryolitu nezávisle na sob patentují roku 1886 Francouz Paul T. Héroult a Ameri an Charles M. Hall. Této metody se používá k výrob hliníku dodnes.

• První hut byly postaveny v letech 1887-8, které znamenají prudký rozvoj pr myslové výroby hliníku.

• Roku 1887 byl použit hliníkový plech na stavbu vzducholodí.

• Od roku 1903 za ínají pokusy s využitím hliníku v konstrukci motor , zejména pak pro výrobu píst .

• Snahy o výrobu slitin se zvýšenými pevnostními vlastnostmi pomocí tepelného zpracování se datují do roku 1906, kdy bylo objeveno tzv. vytvrzování, kterým se u slitiny AlCu4Mg poda ilo dosáhnout tvrdosti až 110 HB.

• 1921 objevuje Pacz metodu zjemn ní eutektika slitin Al-Si modifikací sodíkem, která má za následek výrazné zlepšení pevnosti, tvrdosti a tažnosti.

• K velkému rozvoji výroby hliníkových slitin dochází v d sledk obou sv tových válek, kdy dochází k masivní výrob letadel.

• Ve 20. a 30. letech minulého století se za íná v novat pozornost recyklaci hliníkových slitin. V této souvislosti se vyvíjejí slitiny typu AlSiCu, pozd ji ozna ované jako slitiny druhého tavení.

Po 2. sv tové válce dochází k prudkému nár stu výroby hliníkových odlitk díky rozší ení technologie lití do kovových forem, p evážn tlakovým litím. Touto metodou se v sou asné dob vyrábí p ibližn 50% z celkové tonáže hliníkových odlitk . P ibližn druhou polovinu z celkové produkce tvo í odlitky vyráb né gravita ním a nízkotlakým litím. Podíl odlitk litých do pískových forem je pom rn malý (asi 5%). Nejv tším odb ratelem odlitk z hliníku je automobilový pr mysl, kde v automobilech tvo í asi 10% z celkové hmotnosti. Dalším odb ratelem hliníku a jeho sliltin je pr mysl elektrotechnický a spot ební.

2. Vlastnosti istého hliníku

[1,2,3,9]

istý hliník zaujímá v periodické soustav prvk první místo v t etí period , v t etím sloupci mezi ho íkem a k emíkem. Je to kov st íbrolesklý a lehký, slab paramagnetický. Má velmi dobré optické vlastnosti, nap . dobrou odrazovou schopnost pro paprsky všech vlnových délek. Tvá itelnost za tepla i za studena, stejn tak i sva itelnost, je velmi dobrá. Pro výrobu odlitk se však pro svou špatnou slévatelnost, danou velmi dobrou tepelnou vodivostí, nehodí.

Obrobitelnost istého hliníku vlivem rozdílné struktury je horší než u jeho slitin. P ítomnost precipitát , konstitu ních fází, m kkých ástic i p ípadného deforma ního zpevn ní iní slitiny hliníku lépe obrobitelnými než jak je tomu u hliníku istého.

Nad teplotou tání se nachází hliník ve stavu tekutém, atomy jsou prostorov dokonale neuspo ádány a jsou v neustálém pohybu. Rychlost pohybu atom je tím vyšší, ím více je p ekro ena teplota tavení a je tedy závislá na množství dodané tepelné energie. P i zastavení dodávky tepla teplota kovu klesá a p i dosažení teploty tavení u istého hliníku dochází ke krystalizaci v soustav kubické plošn centrované. Elementární bu ka je tvo ena 14 atomy, z nichž každý je obklopen 12 nejbližšími sousedními atomy.

Prostorové rozmíst ní atom hliníku v základní krystalové m ížce istého hliníku (kubická plošn centrovaná soustava) [2]

Jednotlivé atomy jsou u hliníku v pevném stavu vázány na ur itou polohu a vazba mezi nimi se ozna uje jako kovová. Tato vazba se vyskytuje u prvk s malým po tem elektron ve valen ní vrstv (1 až 3). Podstatou kovové vazby je snadné uvol ování elektron , kdy rovnováha mezi kladn nabitými zbytky atom je udržována množinou odtržených elektron (elektronovým plynem). P ítomností tohoto plynu se vysv tluje dobrá elektrická a tepelná vodivost kov .

Tato skute nost se projevuje i u istého hliníku, který svojí tepelnou a elektrickou vodivostí pat í mezi nejlepší kovy. V tomto ohledu jej p ekonává pouze st íbro a m . P i teplot 20 °C dosahuje tepelná vodivost hodnoty 235 W*m^-1*K^-1 (pro srovnání tepelná vodivost m di iní 394 W*m^-1*K^-1). Pro hliník istoty 99,99% je p i normální teplot hodnota sou initele elektrické vodivosti 2,6*10^-8 *m, což je asi 60% elektrické vodivosti m di.

P i ideální krystalizaci vznikají dokonalé elementární prostorové bu ky k nimž se p ipojují další atomy, vytvá ející prostorovou m ížku. Atomy zaujímají ur ité rovnovážné polohy. Ke krystalizaci nedochází okamžit , ale je k ní pot eba ur ité doby. P echodem ze skupenství kapalného na skupenství pevné, tedy ze stavu vnit ní neuspo ádanosti na stav uspo ádaný podle ur itého geometrického systému, dochází ke snížení energie atom . Tento rozdíl mezi ob ma stavy se odevzdá ve form tepelné energie, která odpovídá hodnotou skupenskému teplu tání. Tato skute nost se projeví na k ivce chladnutí istého hliníku jako prodleva, která je tím delší, ím v tší je množství tuhnoucího materiálu. Obdobná situace nastává p i oh evu kovu. V tomto p ípad není teplo uvoln no, ale je pot eba jej dodat, aby došlo k roztavení kovu. Další prodlevy se již na k ivce chladnutí (oh evu) nevyskytují, nedochází ani ke zm n krystalické m ížky jako je tomu u alotropických kov jako nap . železo, titan, mangan apod.

N které fyzikální vlastnosti hliníku p ibližuje následující tabulka [1]:

Hustota 2700 kg.m^-3

Teplota tání 660 °C Teplota vypa ování 2520 °C

Krystalická m ížka Kubická plošn centrovaná M ížková konstanta A = 4,05*10^-10 m

Atomové íslo 13 Atomová hmotnost 26,98

P i styku hliníku a jeho slitin se vzduchem se vytvá í na povrchu sou ásti slabá pasiva ní vrstva oxidu Al2O3. Tlouš ka této vrstvy dosahuje asi 10 nm. Odolnost v i korozi je pak dána odolností vrstvy Al2O3 v i prost edí v n mž se sou ást nachází. Hliník a jeho slitiny velmi dob e odolávají korozi v atmosfé e a v neutrálních roztocích. Naproti tomu v prost edí kyselin a zásad, díky amfoternímu charakteru oxidu Al2O3, je odolnost hliníku a jeho slitin malá. P i styku se zásadami se vrstva rozpouští a vznikají hlinitany. V prost edí kyselin se naopak tvo í soli. Výjimku tvo í kyseliny siln oxida ního charakteru, jako nap . HNO3, u nichž m že docházet k pasivaci kovu, tj. k zesílení vrstvy oxidu. U istého hliníku a jeho slitin se m že vyskytnout elektrochemická koroze a to v d sledku p ítomnosti pór ve vrstv oxidu. Zde vznikají mikro lánky typu vrstvi ka-pór, kde pór tvo í anodu. Jiné typy mikro lánk se též vyskytují u vícekomponentních slitin, jež jsou zp sobeny strukturní nesourodostí materiálu, nebo p i výskytu trhlin a puklin na povrchu kovu. Slitiny hliníku

(obzvlášt z m dí) jsou náchylné k mezikrystalické korozi, vedoucí k rozrušení kovu na hranicích zrn. Tuto mezikrystalickou korozi omezují n které legury jako nap . ho ík.

3. Teorie slévárenských hliníkových slitin

[1,2,3,5,6,11]

Hliník a všechny jeho slitiny krystalizují v kubické, plošn centrované soustav . U kterékoliv slitiny hliníku je v oblasti tuhého roztoku nahrazen jeden nebo více atom hliníku atomem p ísadového kovu – vznikají substitu ní tuhé roztoky. P ítomností takovýchto cizích atom má za následek deformaci základní m ížky. Deformací m ížky je omezován deforma ní mechanismus (kluzy, pr chod m ížkových poruch-dislokací) a proto vzr stají pevnostní vlastnosti. Ovšem houževnatost (tažnost, kontrakce) se zhoršují.

Slévárenské slitiny hliníku obsahují pro zlepšení technologických vlastností (nap . slévatelnost, obrobitelnost apod.) velké množství legur (až 25%). To má obvykle za následek p ekro ení oblasti tuhého roztoku a ve struktu e se objevují útvary tvrdých intermediárních fází, které svojí p ítomností zvyšují tvrdost.

P ehled n kterých intermediárních fází vyskytujících se u binárních slitin je uveden v následující tabulce:

Intermediární fáze u binárních slitin [5]

P ísadový prvek Složení fáze

Si Si *)

Cu CuAl2

Mg Mg3Al8

Zn Zn3Al2

Mn MnAl2

Ni NiAl3

Cr CrAl7

Fe FeAl3

Ti TiAl3

*) primární nadeutektický k emík

Krom p ísad lze ovliv ovat vlastnosti hliníkových slitin i tím jakým zp sobem byla struktura zjemn na. ím je struktura jemn jší, tím lepší jsou i výsledné mechanické vlastnosti. Jedním

z initel , které ovliv ují tuto skute nost je rychlost ochlazování b hem procesu tuhnutí.

V tomto p ípad zna n pomáhají p ísady kov , které p sobí dalším zjem ujícím ú inkem, a to bu zjemn ním základního zrna (tj. u b žných slitin dendrit ), nebo zjemn ním n kterých druh strukturních složek. K zjemn ní základního zrna se používají p ísady kov s vysokým bodem tání (nap . titan, chrom, vanad apod.). Zjemn ní n kterých druh strukturních složek se dociluje p idáním nap . sodíku nebo fosforu, které modifikují krystalizaci eutektika slitin AlSi, p ípadn zjem ují krystalizaci nadeutektického k emíku. Množství v jakém se do slitin tyto prvky p idávají se pohybuje ádov v setinách nebo desetinách procenta.

a) b)

Vliv modifikace slitiny Al-Si13 na charakter mikrostruktury (zv tšeno 100krát):

a) struktura bez modifikace b) struktura odlitku po modifikaci

[2]

Dalším zp sobem, jak zvyšovat pevnostní vlastnosti hliníkových slitin je možnost tepelného zpracování – vytvrzování. Vytvrditelné jsou pouze ty slitiny, které vykazují s teplotou omezenou rozpustnost p ísadového prvku v oblasti tuhého roztoku. Jestliže slitinu s pat i ným obsahem p ísady rychle ochladíme, docílíme toho, že p ísada z stane p echlazena v tuhém roztoku. Tato skute nost se projeví deformací m ížky. Po ur ité dob a to bu za normální teploty, nebo za teploty zvýšené, která celý pochod urychlí, dojde v d sledku difúze k precipitaci intermediárních fází, které brzdí pohyb dislokací a tím zvyšují pevnost a tvrdost.

Legury, umož ující vytvrzování hliníkových slitin jsou hlavn Cu, Ni, Mg, Zn a Si.

Ve slitinách hliníku se také vyskytují krom prvk zám rn p idávaných (legur) i tzv.

doprovodné prvky (ne istoty), které nám naopak vlastnosti zhoršují. Zdrojem t chto ne istot m že být nap . materiál vyzdívky nebo kelímku, dále použité slévárenské ná adí, p ípravky na ošet ení taveniny nebo nep íliš pe liv druhovaný vratný materiál apod. Mezi takovéto doprovodné prvky pat í u slitin hliníku nap . železo. Je-li fáze Al-Fe objevující se ve slitin p ítomna ve form dlouhých jehlicovitých nebo deskovitých útvar , dochází k narušení homogenity slitiny, které m že vést k p ed asnému lomu. K lomu dochází na hranicích t chto útvar intermediárních fází. Výsledkem je pak samoz ejm snížení mechanických vlastností.

B žn se obsah železa omezuje na 0,6% (nap . u vysokopevnostních slitin typu AlCu se snižuje obsah železa pod 0,2%, n kdy je dokonce požadavek maximálního obsahu prvku 0,05%). Pouze u slitin pro tlakové lití je tolerován obsah vyšší z d vodu snížení nalepování odlitku na formu a sou asn ke zvýšení životnosti formy. Jako nejb žn jší p ísady používané k omezení nep íznivého vlivu železa se používá nap . mangan, kobalt nebo berylium. Další nep íznivé prvky vyskytující se u hliníkových slitin se považují n které t žké kovy s nízkou teplotou tání, nap . olovo, cín, kadmium.

Pojem nep ízniv p sobících doprovodných prvk je ovšem zna n relativní, nebo jejich p sobení siln závisí na typu slitiny. Nap . p ízniv p sobící obsah m di u slitin AlCu nebo AlSiCu zhoršuje korozní odolnost slitin AlMg a je zde pokládán za doprovodný prvek.

K emík, který je základní p ísadou u slitin typu AlSi zp sobuje u slitin AlCu snížení mechanických vlastností.

3.1. Vliv p ísad na vlastnosti slitin hliníku K emík

Jeden ze základních p ísadových prvk . Zlepšuje slévatelnost, p ízniv ovliv uje zabíhavost, sklon k tvo ení trhlin za tepla i prasklin za studena. Dále omezuje vznik vad typu dutin a zvyšuje pevnostní vlastnosti.

Vliv obsahu k emíku na pevnost a tažnost slitin AlSi [5]

Používaný obsah k emíku je 5 až 25% (nej ast ji 7 až 13%). U nadeutektických slitin se vysoký obsah k emíku projevuje vysokou odolností proti ot ru a dobrými kluznými vlastnostmi.

M

Její p ítomnost zvyšuje pevnost a tvrdost, ale snižuje houževnatost. S rostoucím obsahem m di se zhoršuje korozní odolnost a v tšinou i slévárenské vlastnosti. Slitiny jsou náchylné ke vzniku trhlin a prasklin, dále vad typu dutin (staženiny, ediny). Obsahy tohoto prvku b žn

používané se pohybují v rozmezí 0,5 až 10%. K vytvrzování se používají slitiny s obsahem m di obvykle kolem 4%.

Vliv obsahu m di na pevnost a tažnost odlitk do kovové formy. [5]

Ho ík

Slitiny typu AlMg jsou aplikovány p i požadavcích na vysokou korozní odolnost a dekorativní vzhled povrchu. Vzhled povrchu je možno upravovat r znými zp soby, z nichž p evládá anodická oxidace (eloxování), kdy je možné barvit povrch na libovolný odstín v etn velmi sv tlých barev. S rostoucím obsahem ho íku roste pevnost a houževnatost.

Vliv obsahu ho íku na pevnost a tažnost. [5]

Tepelné zpracování se provádí u slitin s obsahem ho íku nad 7% z d vodu docílení požadovaných mechanických vlastností a pro zaru ení dostate né rozm rové stability.

Ur itou výjimku tvo í slitiny pro tlakové lití, které z d vodu nebezpe í vzniku defekt tepeln zpracovávat nelze. Nep íznivou vlastností ho íku je jeho vysoká afinita ke kyslíku, která vzr stá s rostoucí teplotou. Tento jev se zmír uje malými p ísadami berylia nebo vápníku.

Pro slitiny typu AlSi a AlZn a jejich možnost tepelného zpracování se nej ast ji používá množství p ísady ho íku od 0,3% až do 0,7%. P ibližn ve stejném množství se p ízniv projevuje p ítomnost ho íku i u slitin typu AlCu, tedy slitiny typu AlCuMg.

Zinek

Binární slitiny s tímto prvkem se všeobecn nepoužívají, nebo p ítomnost zinku ve slitin ovliv uje mechanické vlastnosti jen ve velmi omezené mí e. V zahrani í se používá nap . slitina AlZnMg (5 až 8% Zn a 0,5 až 2% Mg). Spolu s ho íkem vytvá í intermetalickou fázi MgZn2.

Nikl

Používá se v množství 1 až 2% a to v kombinaci s m dí. Tyto slitiny jsou pak ur eny pro provoz za zvýšených teplot, nebo p ítomnost niklu a m di p ízniv ovliv uje mechanické vlastnosti. Dále jeho p ítomnost v menší mí e snižuje sou initel teplotní roztažnosti.

Kobalt

Jeho ú inky jsou obdobné jako u niklu. Sou asn do ur ité míry p ízniv p sobí na krystalizaci intermediárních fází typu AlFe.

St íbro

B žn používané množství se pohybuje kolem 0,5 až 1% u slitin typu AlCuMg. P ízniv ovliv uje vytvrzovací pochody a umož uje dosažení maximálních hodnot pevnostních vlastností.

Cín

Je doprovodným prvkem v tšiny b žn používaných slitin. Používá se jako základní legura u slitin ur ených pro kluzná ložiska. V n kterých p ípadech bylo zjišt no, že nízké obsahy cínu p ízniv ovliv ují vytvrzovací pochody.

Lithium

Není p íliš b žnou p ísadou u slévárenských slitin. U slitin ur ených k tvá ení se jeho použití za íná rozvíjet. P ítomnost lithia ve slitinách zvyšuje efekt vytvrzení a hodnoty modulu pružnosti a snižuje m rnou hmotnost slitiny. Tyto výhody jsou d ležité p edevším pro letectví a kosmonautiku.

Berylium

Nízké p ísady berylia p ízniv p sobí na potla ení nep íznivého vlivu železa a snížují náchylnost k oxidaci. Vzhledem k obávané toxicit jsou jeho aplika ní možnosti omezeny pouze na p ípady, kdy odlitky nep icházejí do styku s potravinami.

Mangan

Hlavní úlohou je kompenzace nep íznivého vlivu železa potla ením jeho vylou ení v desti kovitém tvaru a vytvo ení intermetalické fáze (Fe,Mn)Al6. Jeho p ítomností ve slitin dochází ke zvýšení pevnostních vlastností, zvýšení teploty rekrystalizace, zjemn ní zrna nebo blokování r stu zrn v p ípad jeho vylou ení ve form disperzních precipitát .

Železo

B žn se považuje za doprovodný prvek. Výjime n se lze setkat s jeho zám rnými p ísadami a to v množství 1 až 2%. Zde se používá pro slitiny, které pracují za zvýšených teplot pro p íznivé ovlivn ní pevnostních vlastností a odolnosti v i te ení

Titan, Vanad, Chrom, Bór, Zirkonium

Tyto kovy s vysokým bodem tání se používají u slévárenských slitin hliníku pro zjemn ní zrna. V n kterých p ípadech se jich také využívá ke stabilizaci precipitát vzniklých p i vytvrzování v i zvýšené teplot .

Antimon

Používá se k modifikaci eutektika u slitin AlSi. I když je považován za doprovodný prvek, byl prokázán jeho p íznivý vliv na stabilizaci d sledku vytvrzovacích pochod . Z tohoto d vodu je p idáván i do slitin pracujících p i zvýšené teplot . Ve výjime ných p ípadech se aplikuje spolu s cínem, olovem a kadmiem za ú elem zlepšení t ískové obrobitelnosti u tzv.

slévárenských automatových slitin. Dále zvyšuje odolnost proti korozi v mo ské vod a snižuje náchylnost slitin AlMg ke vzniku trhlin za tepla.

Olovo, kadmium, vizmut

Jsou považovány za doprovodné prvky se siln nep íznivým vlivem na houževnatost odlitku.

Mohou se použít pro zvýšení t ískové obrobitelnosti. V p ípad kadmia byl prokázán p íznivý

Sodík, stroncium, vápník a fosfor

Sodík, stroncium a vápník se používají jako základní modifikátory eutektika AlSi. Fosfor je používán jako základní zjem ující inidlo primárního k emíku u nadeutektických slitin tohoto typu. U slitin typu AlMg se používá vápník ke snížení sklonu k oxidaci.

3.2. Rozd lení slitin hliníku

Hliník a jeho slitiny krystalizují v soustav krychlové plošn centrované. Slitiny hliníku je možno d lit podle nejr zn jších kritérií. Nejpoužívan jší kritérium d lení slitin hliníku je podle zp sobu zpracování. Takto lze slitiny hliníku rozd lit na slitiny ur ené k tvá ení a slitiny slévárenské. Ve slitinách hliníku ur ených k tvá ení se maximální obsah legujících prvk pohybuje kolem 11 % a ve slitinách ur ených k odlévání kolem 24 %. Dalším používaným kritériem d lení slitin hliníku je podle schopnosti zvýšení tvrdosti a pevnosti tepelným zpracováním na slitiny hliníku vytvrditelné a nevytvrditelné. Ur ité p iblížení problému rozd lení slitin hliníku p ibližuje následující obrázek.

Schéma binárního rovnovážného diagramu Al – p ísada [11]

Mezi nejpoužívan jší legury pat í Mg, Si, Cu, Mn a Zn. Krom tvrdosti a pevnosti lze t mito legurami ve výsledné slitin ovlivnit i n které další vlastnosti jako nap . vlastnosti technologické (slévatelnost, tvá itelnost, obrobitelnost, sva itelnost aj.) nebo užitné vlastnosti jako odolnost proti korozi, elektrickou vodivost apod.

Podle hlavních p ísadových prvk lze slitiny hliníku též d lit na:

• slitiny Al-Si - siluminy

• slitiny Al-Cu - duralaluminium

• slitiny Al-Mg - hydronalium

P ehled nej ast ji používaných slitin s istým hliníkem uvádí následující obrázek:

P ehled nej ast ji používaných slitin s istým hliníkem. [3]

Podle po tu legur (hlavních p ísadových prvk ) lze dále slitiny hliníku d lit na:

• binární slitiny – obsahují zakladní a hlavní p ísadový prvek

• ternární slitiny – obsahují základní prvek, hlavní p ísadový prvek a jeden vedlejší prvek

• vícesložkové slitiny – obsahují n kolik vedlejších p ísadových prvk

4. Ozna ování slévárenských slitin hliníku

[1]

Od roku 2000 jsou v R slévárenské slitiny hliníku normovány dle evropské normy SN EN 1706. Tato norma nahradila d ív jší normu SN 42 43xx a 42 45xx. Další asto užívané zna ení v eských slévárnách je dle p vodní n mecké normy DIN 1725, které používá rovn ž Vereinigung Deutscher Schmelzhütten – VDS. Mén asté je používání ozna ení slitin hliníku dle amerických norem ASTM nebo jiných normaliza ních systém .

Dle SN EN 1706 se slitiny zna í bu íseln , nebo chemickými zna kami.

4.1 íselné zna ení slitin dle SN EN 1706

Ozna ení se skládá z písmen EN AC a p timístného ísla, jehož tvar je:

EN AC-XXXXX

Význam jednotlivých íslic:

První íslice charakterizuje hlavní p ísadový prvek a to:

2 – slitiny AL-Cu 4 – slitiny Al-Si 5 – slitiny Al-Mg 7 – slitiny Al-Zn

Druhá íslice udává skupinu slitin a prakticky se využívá pouze u slitin Al-Si.

T etí íslice je po adové íslo ve skupin . tvrté a páté íslice jsou 0.

4.2 Zna ení slitin chemickými zna kami dle SN EN 1706

Ozna ení se skládá z úvodního EN AC-Al a dále se uvád jí p ísadové prvky v po adí od hlavní k vedlejším p ísadám v sestupném po adí. Je-li obsah p ísady nad 1%, udává se íslicí za zna kou p íslušného prvku. Je-li obsah nižší než 1%, íslo se za zna ku neuvádí.

V následující tabulce jsou uvedeny jednotlivé skupiny slitin hliníku k odlévání a jejich íselné ozna ení a ozna ení chemickými zna kami. Vyskytuje-li se ve skupin více slitin, v tabulce je u íselného ozna ení tato skute nost nazna ena k ížky na 3. až 5. míst . U ozna ení pomocí chemických zna ek jsou v závorce uvedeny další obsahy daného prvku v r zných slitinách této skupiny.

Ozna ení slitiny Skupina

slitin íselné Chemickými zna kami AlCu EN AC-21xxx EN AC-Al Cu4

AlSiMgTi EN AC-41000 EN AC-Al Si2MgTi AlSi7Mg EN AC-42xxx EN AC-Al Si7Mg0,3(0,6) AlSi10Mg EN AC-43xxx EN AC-Al Si10(9)Mg AlSi EN AC-44xxx EN AC-Al Si12(11) AlSi5Cu EN AC-45xxx EN AC-Al Si6(5)Cu4(3,1) AlSi9Cu EN AC-46xxx EN AC-Al Si9(7,11)Cu3(2,1) AlSi(Cu) EN AC-47xxx EN AC-Al Si12Cu

AlSiCuNiMg EN AC-48000 EN AC-Al Si12CuNiMg AlMg EN AC-51xxx EN AC-Al Mg3(5,9) ALZnMg EN AC-71000 EN AC-Al Zn5Mg

Zp sob zna ení slitin hliníku k odlévání dle SN EN 1706 [1]

5. Typy slévárenských slitin hliníku a jejich charakteristika

[1,2,5]

Slévárenské slitiny, na rozdíl od slitin ur ených k tvá ení, jsou charakteristické vyšším obsahem p ísad, ur itým množstvím eutektika ve struktu e, které zlepšuje jejich slévatelnost a horšími mechanickými vlastnostmi.

Hlavní typy slitin hliníku k odlévání jsou:

1. slitiny typu Al-Si, Al-Si-Mg a Al-Si-Cu 2. slitiny typu Al-Cu a Al-Cu-Si

3. slitiny typu Al-Mg

4. slitiny typu Al-Zn a Al-Zn-Mg

5.1. Slitiny typu Al-Cu a Al-Cu-Si

Vyzna ují se vysokou pevností za normální teploty, vysokou tažností a houževnatostí. Typy bez obsahu ho íku a s p ísadou niklu mají dobrou stabilitu mechanických vlastností za zvýšených teplot. Dále se vyzna ují dobrou obrobitelností, pom rn špatnou odolností v i korozi a mají podmín nou sva itelnost. (S rostoucím obsahem m di se obrobitelnost zlepšuje, ale odolnost v i korozi se více zhoršuje.)

Slitiny tohoto typu mají špatné slévárenské vlastnosti (sklon ke vzniku rozptýlených staženin a sklon k praskání), které lze do jisté míry kompenzovat p ísadou k emíku, jehož koncentrace m že dosáhnout až 6 %. P ísadou k emíku se však zhoršují pevnostní vlastnosti slitiny a to jak za normální, tak za zvýšené teploty. Nej ast ji jsou používány slitiny s obsahem 4-5 % m di, tém vždy zjem ující p ísadou titanu a dále i s p ísadami ho íku p ípadn st íbra.

Mechanické vlastnosti a zjemn ní zrna lze dále dosáhnout p ísadou niklu a zinku.

Slitiny typu Al-Cu se používají na zna n namáhané sou ásti, kterými jsou nap . sk ín motoru, p evodové sk ín apod. Slitiny typu Al-Cu-Si mají dobrou odolnost proti opot ebení a vyšší tvrdost. Tyto vlastnosti je p edur ují k použití na výrobu pouzder ložisek, emenic a odlitk rozmanitých tvar . Slitiny s niklem jsou používány na odlitky pracující za zvýšených teplot, jako jsou nap . písty, hlavy válc apod.

Tepelné zpracování se skládá z rozpoušt cího žíhání p i cca 530 °C po dobu asi 8 hod., ochlazování se provádí do teplé vody. Vytvrzování za studena na stav T4 se provádí

minimáln 5 dn , nebo lze kombinovat s vytvrzováním za tepla p i 160 °C asi 0,5 až 1 hod.

Na stav T6 se vytvrzování za studena provádí 12 až 24 hod., poté p i 155 °C po dobu 20 hod.

5.2. Slitiny typu Al-Mg

Obsah ho íku se pohybuje v rozmezí 3-11 %. Jde o slitiny s velmi dobrou korozní odolností, odolávají p sobení mo ské vody a slab alkalickému prost edí. Mají horší slévatelnost, která je zp sobena náchylností k intenzivní oxidaci a naplyn ní b hem tavení i lití, dále reakcemi taveniny s formovacími materiály. Slitiny mají menší zabíhavost a n které složky slitiny se odm šují. Sklon k oxidaci se potla uje p ísadou 0,005 až 0,02 % berylia. Berylium však zvyšuje hrubozrnnost slitiny, proto zjemn ní zrna dosáhneme p idáním 0,05 až 0,1 % titanu.

Se stoupajícím obsahem ho íku se slévatelnost zhoršuje a to i s p ídavkem k emíku, který v tomto ohledu p sobí p ízniv . Mezi další výhodné vlastnosti slitin tohoto typu pat í dobrá t ísková obrobitelnost a leštitelnost povrchu, který zvlášt v p ípad anodické úpravy (eloxování) a barvení poskytuje atraktivní vzhled.

Slitiny se používají na dekorativní p edm ty, lodní kování, ozdobné díly aut. Dále v chemickém a potraviná ském pr myslu a nap . na optické p ístroje.

Slitiny Al-Mg normované v SN EN 1706 se používají v tepeln nezpracovaném stavu.

5.3. Slitiny typu Al-Zn a Al-Zn-Mg

Binární slitiny mají nep íznivé slévárenské (vysoká smrštivost) a mechanické vlastnosti. K zlepšení vlastností dochází p idáním n kterých vhodných p ísad. Nejpoužívan jší slitiny této skupiny jsou Al-Zn-Mg a Al-Zn-Si-Mg. Obsah zinku je v rozmezí 3 až 8 %, obsah ho íku v rozmezí 1 až 3 %. Jako zjem ující p ísada se používá titan a chrom. Výhodou obou t chto slitin je schopnost p irozeného stárnutí, kdy k vytvrzení dochází po 14 až 30 dnech. Proces vytvrzování je možno urychlit žíháním p i zvýšené teplot . Mezi další výhodné vlastnosti t chto slitiny pat í rozm rová stabilita odlitk , dobrá t ísková obrobitelnost, dobrá korozní odolnost a dobré mechanické vlastnosti. P i celkovém obsahu legur vyšším než 8 % však dochází k zna nému zhoršení odolnosti proti interkrystalické korozi.

5.4. Slitiny typu Al-Si-Cu

Jde o nejpoužívan jší typ slitin hliníku, který tvo í asi ½ celkové produkce hliníkových slitin a jeho použití je p evážn v automobilovém pr myslu. Nej ast ji se používají slitiny podeutektické až eutektické, z nichž nejznám jším p edstavitelem je slitina AlSi8Cu3. Díky obsahu m di má tato slitina menší odolnost v i korozi, ale její mechanické vlastnosti a obrobitelnost jsou dobré. Nevýhodou této slitiny je sklon k tvorb trhlin a vzniku staženin, které je možné eliminovat vyšším obsahem k emíku. U t chto slitin zvýšený obsah k emíku také znamená lepší zabíhavost. Dále je možné vlastnosti zlepšovat o kováním.

Slitiny tohoto typu se používají ve stavu tepeln nezpracovaném, nebo díky p ítomnosti m di dochází k ur itému stupni samovolnému vytvrzování, které probíhá n kolik dn . Tento efekt je tím siln jší, ím byla rychlost ochlazování odlitku v tší.

Lze je použít pro výrobu tvarov složitých odlitk litých do pískových forem, do kokil nebo pod tlakem. Nadeutektické slitiny se pak používají na výrobu píst spalovacích motor a blok motor . Tyto slitiny obsahují 14-17% k emíku, 4% m di a 0,5% ho íku p íp. 2%

niklu.

P ítomností m di v t chto slitinách se snižuje stahování kovu p i tuhnutí, zlepšuje se nepropustnost odlitk a také se uvádí její p íznivý vliv k zmenšení naplyn ní taveniny. Dále p ítomností m di se zvyšuje pevnost a tvrdost, ale snižují se plastické vlastnosti. Ke snižování plastických vlastností dochází i s rostoucím obsahem ho íku a zinku. Obrobitelnost slitin tohoto typu se zlepšuje s rostoucím obsahem m di. Tímto ovšem klesá korozní odolnost.

V tomto ohledu se projevuje negativní ú inek m di malou odolností v i korozi t chto slitin v kyselinách, alkalických roztocích a mo ské vod . P i obsahu nad 2% m di je korozní odolnost pom rn špatná a je doporu eno pro eliminaci porušování materiálu korozí používat ochranné prost edky jakými jsou nap . nát ry. Pro použití v automobilovém pr myslu, který je nejv tším odb ratelem t chto slitin je však korozní odolnost ješt dosta ující. P i obsahu m di vyšším než 0,5% se zhoršuje možnost anodické oxidace, nebo se zmenšuje tlouš ka s hutnost ochranné vrstvy.

6. Slitiny typu Al-Si

[1,2,3,5,6]

Slitiny tohoto typu se d lí do t í skupin

[2]

• podeutektické – 4,5 až 10% Si

• eutektické – 11 až 13% Si

• nadeutektické – nad 13% Si

Krom základních prvk (hliník a k emík) ješt obsahují železo a mangan, jejichž obsah se pohybuje ádov v desetinách procenta. Mezi dalšími doprovodnými prvky se vyskytuje m jejíž obsah, jsou-li požadavky na korozivzdornost, nebo použití v potraviná ském pr myslu, nep ekro í 0,05%. Pro zjemn ní zrna se používá titan v množství 0,1-0,2%.

Slitiny tohoto typu mají dobré slévárenské vlastnosti, odlitky mají dobrou t snost v i plyn m i kapalinám. Dále se vyzna ují dobrou sva itelností, odolností v i korozi, ale horší obrobitelností. S rostoucím obsahem k emíku se slévárenské vlastnosti zlepšují. Slitinami tohoto typu se vyráb jí odlitky lité do pískových nebo kovových forem a odlitky lité pod tlakem. Slitiny s obsahem k emíku do oblasti eutektika mají nižší interval tuhnutí, zlepšuje se zabíhavost a zmenšuje se objem staženin. Tato skute nost je zp sobena tím, že p i tuhnutí k emík zv tšuje sv j objem a tím kompenzuje stahování hliníkové matrice.

Slitiny typu AlSi se vyzna ují st edními mechanickými vlastnostmi, které lze zvýšit p ísadou prvk s vyšší rozpustností v tuhém roztoku (nap . m a ho ík). Modifikací slitiny je možno zvýšit tažnost a obrobitelnost. Odolnost v i korozi je pr m rná, ve vlhké atmosfé e dostává slitina šedé matné zabarvení. I p es to, že odlitky lze brousit a leštit se tyto slitiny pro dekorativní ú ely p íliš nehodí. Tuto skute nost nezlepší ani anodická oxidace, po jejíž aplikaci mají slitiny erno-šedé zabarvení. Slitiny je možno galvanicky pokovovat (chromováním, niklováním).

Fázový diagram systému Al – k emík a charakteristiky mikrostruktur slitin Al-Si s r zným obsahem k emíku

[6]

6.1. Slitiny typu Al-Si-Mg

Obsah k emíku se pohybuje v rozmezí 0,25-0,45% , u n kterých slitin až 0,7% a umož uje vytvrzovat slitiny za tepla. P ítomností ho íku se p i b žné rychlosti ochlazování ve slitin vylu uje fáze Mg2Si. B žn se tyto slitiny vyzna ují pouze pr m rnými mechanickými vlastnostmi, které lze zvýšit vytvrzováním. Slitiny typu Al-Si-Mg jsou podeutektické a podle obsahu k emíku se d lí do dvou typ :

1) AlSi7Mg

2) AlSi10Mg

Slitiny AlSi10Mg mají oproti slitinám AlSi7Mg lepší slévárenské vlastnosti a obrobitelnost.

Stejn tak jako u binárních slitin AlSi je i zde obsah doprovodných prvk limitován na velmi nízké hodnoty. Lze je odlévat do pískových forem, do kokil gravita n i pod tlakem.

Používají se pro vysoce namáhané výrobky, nej ast ji v leteckém a automobilovém pr myslu.

Vytvrzováním lze zvýšit mez pevnosti, mez kluzu a tvrdost. Ovšem na úkor tažnosti, která po vytvrzování klesá. Vlivem zvýšené tvrdosti se zlepšuje obrobitelnost.

ást pseudo binárního diagramu slitiny AlSiMg0,3 [10]

6.1.1. Slitina AlSi10Mg (EN AC-43000)

Jedná se mírn podeutektickou slitinu s nízkým obsahem doprovodných prvk a ne istot. Má výborné slévárenské a technologické vlastnosti, velmi dobrou obrobitelnost a odolnost v i korozi.

Jsou vhodné jak pro lití do pískových, tak do kokil. Slitinu litou do písku je nutné modifikovat sodíkem, u kovových forem je modifikace rovn ž prosp šná.

Slitina se používá jak ve stavu bez tepelného zpracování, tak tepeln zpracovaná. Vytvrzování na stav T6 má tento postup:

• rozpoušt cí žíhání p i 510 – 525 °C po dobu 3 až 6 hodin

• ochlazení ve vod

• precipita ní žíhání p i teplot 150 – 175 °C po dobu 5 až 15 hodin

Slitina se nej ast ji používá na tenkost nné, tvarov složité odlitky, kde je požadavek na vysokou pevnost a houževnatost (vysoce namáhané strojní sou ástky, díly motor , klikové sk ín , brzdové elisti, rychlob žné sou ástky, ventilátory apod.).

Fyzikální vlastnosti:

Hustota (g*cm^-3) 2,65

Rozsah teplot tuhnutí (°C) 575 – 620 Elektrická vodivost (m* ^-1*mm^-2) 17 – 20 Tepelná vodivost (cal*cm^-1*s^-1*°C^-1) 0,37 Lineární sou initel tepelné roztažnosti 20 až 100 °C

20

Fyzikální vlastnosti slitiny AlSi10Mg [3]

Chemické složení:

Prvek Obsah (%)

Si 9,0 – 11,0

Fe 0,55

Cu 0,05

Mn 0,45

Mg 0,20 – 0,45

Ni 0,05

Zn 0,10

Pb 0,05

Sn 0,05

Obsah ne istot (%)

Jeden prvek Celkem

0,05 0,15

Chemické složení slitiny AlSi10Mg dle SN EN 1706 [1]

Mechanické vlastnosti:

Stav Slitiny

R

(MPa)

R

(MPa) A

(%)

HBS

Kovová forma

L T6 T64

180 260 240

90 220 200

2,5 1 2

55 90 80 Písková

forma L T6

150 220

80 180

2 1

50 75

Mechanické vlastnosti slitiny AlSi10Mg na odd len litých zkušebních kusech [1]

Legenda:

L – v litém stavu, T6 – vytvrzování na optimální pevnost a tažnost, T64 – vytvrzeno na

Technologické vlastnosti:

Základní technologické vlastnosti slitiny AlSi10Mg [2]

do pískových forem 3 – 4

do kokily 3 – 4

Vhodné pro výrobu

odlitk litím pod tlakem 0

Zabíravost 4

odolnost proti trhání za tepla 3 – 4 t snost st n odlitku 3 – 4 Hlavní vlastnosti

charakterizující slévatelnost slitiny

Smrš ování 3 – 4

Opracovatelnost eznými nástroji 1

Mechanicky 1 – 2

Vhodné pro

povrchovou úpravu anodickou oxidací 0 – 1 v normální atmosfé e 3 Chemická

odolnost v p ímo ské atmosfé e 2

Vhodné pro styk s potravinami 3

Klidném 3

prom nlivém 3

Rázy 2

Mechanické vlastnosti p i namáhání

za tepla (200 °C) 1

Použitelné do teplot °C 150

Vzhled povrchu po anodické oxidaci šedý

Plynem 3

Sva itelnost

elektrickým obloukem 4

Legenda:

0 – nevhodné 1 – špatné 2 – ucházející 3 – dobré 4 – velmi dobré

7. Plyny ve slitinách hliníku

[1,12]

Jediným plynem, jehož rozpustnost v tekutém hliníku je technicky významná, je vodík. [1]

7.1. Zdroje vodíku

Nej ast jším zdrojem vodíku je vlhkost v pecní atmosfé e, v solích, vyzdívce, špatn vysušené kelímky a vlhké ná adí.

Dojde-li ke styku roztaveného kovu s vodní párou, dochází k disociaci vody, kde kyslík reaguje s hliníkem. P i této reakci vzniká oxid hlinitý a vodík se v roztaveném kovu rozpouští.

Tato reakce je popsána následující rovnicí:

2[Al] + 3 {H

O} (Al

O

) + 6 [H]

Jedním z hlavních nositel vlhkosti jsou tablety, krycí a rafina ní soli. Soli (tablety) je nutné skladovat v suchých a vytáp ných místnostech. Obaly v nichž se nacházejí musí být uzav eny, nebo asto bývají hygroskopické a snadno tak absorbují vodu z okolního prost edí.

Z tohoto d vodu by se m ly p ed použitím vysušit nebo dát k pecím do p edeh íva .

Dalším zdrojem vodíku jsou nap . nové tavící kelímky a nové vyzdívky. Tyto je pot eba p ed použitím velmi pe liv vysušit a p edeh át do erveného žáru. K novým kelímk m dodává výrobce tzv. vysoušecí diagramy, které ur ují zp sob p ípravy kelímku p ed jeho nasazením do výroby. Jsou zde ur eny teploty, po které je nutné na daných teplotách a po danou dobu setrvat. Možným zdrojem m žou být též staré kelímky, které se n kolik dn nepoužívaly a mohlo zde dojít k absorpci vzdušné vlhkosti. P ed nasazením t chto kelímk do výrobního procesu je nutné je den p edem p edeh át. U p erušovaných provoz v dob kdy se kelímky nepoužívají jsou tyto ponechávány p i provozní teplot asi 500°C. Používané kovové ná adí by m lo být opat eno nát ry a pe liv vysušeno. Licí ná adí je nutné neustále p edeh ívat na ho ácích.

Je t eba ješt zmínit jako zdroj vodíku vsázku a to v p ípad , že se p idává do roztaveného kovu bez d kladného p edeh átí, zde nesta í pouhé vysušení. Voda je totiž vázána v pórech na povrchu vsázkových surovin a rovn ž v hydroxidech, které se tvo í na zoxidovaném

povrchu v podob Al(OH)3. Z toho vyplývá nutnost skladovat hliníkové housky v prostorech s minimální vlhkostí. V tomto ohledu hraje též roli dodavatel materiálu, nebo každý dodává materiál s r zným stupn m vlhkosti obsažené v materiálu.

Odtud se uvol uje vodík dle následující reakce:

(Al(OH)

) +

V tomto p ípad reaguje vodní pára s kovovým hliníkem, nikoliv s oxidy. Do teploty asi 900 °C neporušená vrstva oxid pom rn dob e chrání taveninu p ed dalším naplyn ním. Po p ekro ení této teploty se však rychlost naplyn ní prudce zvyšuje.

Jako zdroj vodíku u p ímého oh evu mohou sloužit též uhlovodíky a vodní pára ze spalných plyn v tavicích nebo udržovacích pecích, nebo ze zne išt né i zamašt né vsázky apod.

Veli ina charakterizující maximální množství vodíku, které se m že za rovnovážných podmínek rozpustit v kovu ur itého chemického složení je ozna ována jako rozpustnost vodíku. Mohou zde nastat dva p ípady:

1) množství rozpušt ného vodíku je menší než rozpustnost za dané situace:

K tomuto p ípadu dochází nap . p i tavení, kde je omezený p ístup vlhkosti, nebo odplyn ná tavenina.

2) množství rozpušt ného vodíku je v tší než rozpustnost za dané situace:

K tomuto dochází p i nerovnovážných podmínkách jakými m že být nap . rychlé ochlazování, kdy je v kovu rozpušt no v tší množství vodíku než odpovídá rozpustnosti za dané situace (tento stav se ozna uje jako p esycený tuhý roztok).

Maximální obsah vodíku, který m že být p ítomen v roztaveném hliníku je dán k ivkou rozpustnosti. S klesající teplotou se toto maximum snižuje. Je-li v tavenin p ítomno v tší množství vodíku než udává k ivka, dochází p i p ekro ení meze rozpustnosti k úniku p ebyte ného vodíku z taveniny difúzí nebo k tvorb plynových bublin.

Snížení rozpustnosti vodíku b hem tuhnutí je hlavní p í inou vzniku plynových dutin ve slitinách hliníku. [1]

Rozpustnost vodíku v závislosti na teplot zobrazuje následující obrázek:

Vliv teploty na rozpustnost vodíku v hliníku a slitinách Al-Si [1]

Z grafu je patrno, že rozpustnost vodíku u slitin má stejný charakteristický pr b h jako tomu je u istého hliníku. Rozpustnost se m ní v celém intervalu teplot krystalizace, tj. mezi teplotami likvidu a solidu, resp. eutektickou teplotou. Krom teploty je rozpustnost ovlivn na též p ítomností n kterých slitinových prvk . Prvky, které ji snižují jsou nap . k emík, zinek, m a mangan. Naproti tomu p ítomností ho íku, sodíku, vápníku, lithia a titanu se rozpustnost zvyšuje.

7.2. Mechanismy vzniku plynových dutin v odlitcích

Termínem „bubliny“ nebo „póry“ jsou u slitin hliníku ozna ovány drobné dutiny a tato vada se ozna uje jako „bublinatost“ nebo „porezita“. P í inou t chto vad, jak již bylo výše uvedeno, je zm na rozpustnosti vodíku b hem tuhnutí.

Bubliny mohou v tavenin vznikat dv ma mechanismy:

• homogenní nukleací

• heterogenní nukleací

Homogenní nukleace

Podmínkou vzniku bublin vyjad uje následující vztah:

p

> p

+ p

+ p

pH2 – tlak v bublin patm – atmosférický tlak pmet – metalostatický tlak

p – tlak vyvolaný povrchovým nap tím

P edpokládá se, že hodnota tlaku, který je ve skute nosti nutný pro homogenní nukleaci bublin je ádov 3000 až 5000 MPa. Z tohoto d vodu je vznik bublin mechanismem homogenní nukleace nepravd podobný a v reálných podmínkách se bubliny tvo í pouze mechanismem heterogenní nukleace. [1]

Heterogenní nukleace

U tohoto mechanismu slouží jako krystaliza ní zárodky cizí tuhé ástice. Pro nukleaci bubliny na cizím zárodku je rozhodující povrchové nap tí mezi taveninou, cizí ásticí a plynem.

Jako vhodné nuklea ní zárodky bublin jsou vhodné ástice, které nejsou smá ivé taveninou.

Takovéto podmínky nejlépe spl ují oxidy, jež jsou nej ast jšími nuklea ními zárodky bublin.

Dále se podílí na tvorb bublin boridy, nitridy nebo karbidy a nejmén ú inné jsou o kovací prost edky. Tato skute nost dokládá pro je bublinatost významn spojena s p ítomností oxidických vm stk .

7.3. Porezita v odlitcích

Vada u odlitk ozna ovaná jako porezita bývá zp sobena kombinací tvorby tzv.

mikrostaženin a bublin. P ípad kdy je porezita tvo ena ist bublinami nebo mikrostaženinami se vyskytuje velmi z ídka. P evažuje-li mechanismus vzniku bublin, vykazují póry více kulovitý tvar. P i mechanismu mikrostaženin jsou dutiny tvarov lenité a kopírují dendritickou stavbu kovu.

Tuto skute nost ukazuje následující obrázek:

Tvar pór ve slitinách Al:

a) mikrostaženina b) plynová bublina

c) porezita (plyn a mikrostaženina)

Typickým místem výskytu pór jsou mezidendritické prostory, kde dochází k tuhnutí a jejich tvar a poloha je ovlivn na morfologií tuhé fáze, obsahem plyn a rychlostí tuhnutí. Vada ozna ovaná jako porezita se vyskytuje p evážn u slitin se širokým intervalem tuhnutí.

P i vysokém obsahu plyn v tavenin se tvo í p evážn dutiny kulovitého tvaru a to již p i nízkém podílu ztuhlé fáze. P i pomalém tuhnutí difunduje vodík do bublin na pom rn velké vzdálenosti a tím vznikají velké bubliny, jež nemají tém žádnou vazbu na krystalickou strukturu kovu.

P i rychlém postupu krystaliza ní fronty se bubliny brzy obalí vrstvou tuhého kovu, aniž by difúzí vodíku mohlo dojít k jejich dalšímu r stu. Výsledkem tohoto d je je pak výskyt malých kulovitých nebo protáhlých bublin, uzav ených v mezidendritických prostorách kovu, ozna ovaných jako mikrostaženiny. Vznik mikrostaženin se více uplat uje tím více, ím je širší dvoufázové pásmo.

V b žných podmínkách p i tuhnutí nedochází k snížení obsahu vodíku na rovnovážnou hodnotu a ást z stává v kovu v podob p esyceného tuhého roztoku. S rostoucí rychlostí ochlazování roste p esycení tuhého kovu a tím dochází k vylou ení menšího množství plynného vodíku a tím k menší pórovitosti. Z toho vyplývá, že k vzniku plynových dutin jsou více náchylné silnost nné odlitky, lité do pískových forem, než odlitky tenkost nné a odlitky lité do kovových forem.

Vliv obsahu vodíku a rychlosti ochlazování na objem pór [1]

Rovn ž je t eba ješt zmínit vliv o kování a modifikace na rozložení pór . Neo kované a nemodifikované slitiny mívají spíše sklon k vzniku soust ed ných, velkých dutin. Zatímco o kování a modifikace zv tšuje sklon ke vzniku rozptýlených mikrostaženin.

P ítomností porezity dochází k ovlivn ní ady vlastností hliníkových odlitk :

• snižuje se pevnost a tažnost, póry jsou inicia ními místy pro vznik únavových lom

• u odlitk s požadavkem na t snost, m že dojít vlivem porezity k pronikání tlakového média

• snížená kvalita obrobených ploch

• obtížn jší povrchová úprava odlitk

7.4. Odply ování hliníkových slitin

Cílem je snížení obsahu vodíku. Na odply ování slitin hliníku se používají dva zp soby:

• vakuování taveniny

• probublávání taveniny aktivními nebo neaktivními (inertními) plyny

Odply ování vakuováním

Princip této metody spo ívá ve snížení tlaku atmosféry nad hladinou roztaveného kovu. Po dosažení požadován teploty kovu se pánev s kovem zaveze do vakuovacího za ízení, uzav e zvonem a tlak ve vakuovací komo e se sníží asi na 5 kPa. Odply ovací proces pak trvá n kolik minut. Rychlost a intenzitu procesu lze zvýšit dmýcháním inertního plynu do taveniny. V tomto p ípad m že vodík difundovat do bublin inertního plynu. Tato metoda je energeticky mén náro ná a rychlejší. Dosahované hodnoty jsou dokonce lepší než u prostého odply ování vakuováním.

Odply ování probubláváním aktivními nebo inertními plyny

Princip této metody spo ívá v difúzi vodíku do bublin plynu pomocí n hož je vynášen na hladinu. Podle reakce mezi vodíkem a bublinami se d lí používané plyny na aktivní a inertní.

Jako inertní plyn se používá argon nebo dusík. Plyn je vhán n do taveniny, nebo se uvol uje z odply ovacích tablet, v blízkosti dna pánve tak, aby se tvo ily co nejmenší bubliny.

Do bublin difunduje vodík podle vztahu:

[H] ½ {H}

Základní podmínkou úsp chu této metody je malá velikost bublin, dostate n dlouhá dráha (proto je d ležité aby byl inertní plyn vhán n u dna dostate n vysoké pánve), dobré promíchávání (homogenizace) taveniny a aby plyn neobsahoval žádnou vlhkost. Z tohoto d vodu je nutné používat pouze plyny vysoké istoty.

Za aktivní plyny se ozna ují takové, které vytvá ejí s vodíkem chemické slou eniny. Pro tuto metodu se používá chlór nebo fluor.

Chlor reaguje s roztaveným hliníkem dle rovnice:

2[Al] + 3 {Cl

} 2 {AlCl

}

Chlorid hlinitý se v tavenin nachází v plynné form . Reaguje s vodíkem dle reakce:

3 {H

} + 2 {AlCl

} 2 Al + 6 {HCl}

P i pr chodu chloridu hlinitého taveninou dochází k reakci i s dalšími prvky, které mají vyšší afinitu k chlóru než hliník. Tímto také dochází k rušení modifika ního ú inku sodíku a stroncia, m že dojít i k podstatnému snížení obsahu ho íku. Proto je nutné provád t modifikaci až po odplyn ní. Dalším d vodem pro se modifikuje až po odplyn ní je i negativní vliv t chto prvk na proces odplyn ní. Nap . p ítomností stroncia se vytvá í na povrchu vrstva SrCl2, která brání p estupu vodíku z taveniny do bubliny a k odplyn ní dochází až po zreagování stroncia.

Intenzita procesu odply ování je vyšší p i použití aktivních plyn než u inertních (neutrálních). Používání chlóru je však v poslední dob omezován ekologickými p edpisy pro jeho jedovatost, korozívnímu p sobení a rozrušování ozónové vrstvy. V sou asné dob je tendence používání chlóru nahradit inertními plyny. Je-li p eci jen chlór používán, d je se tak pouze v takových koncentracích, aby v tavenin zcela zreagoval na chemické slou eniny.

Ne jinak je na tom i používání fluoridových prost edk (a to jak v plynné form nebo ve form solí), jejichž používání je vzhledem k jejich toxicit a agresivit ve v tšin zemí zakázáno.

7.5. Zp soby odply ování aktivními a neutrálními plyny

Do taveniny se aktivní nebo neutrální (inertní) plyny dostávají:

• rozkladem odply ovacích solí, tablet

• v plynné form

Odply ovací soli

Vlivem vysoké teploty taveniny se rozkládají za vzniku plynného dusíku, p íp. chlóru nebo fluoru. asto se takto používá hexachlorethan C2Cl6 a to bu ve form prášku, granulátu nebo tablet, které se pono í ke dnu tavícího kelímku pomocí ponorného zvonu, nebo se do taveniny dmýchají tryskou dusíkem nebo argonem.

Aplikace v plynné form

Základní p edpoklad pro dobrou ú innost metody je co nejmenší velikost bublin. Plyn je vhán n do taveniny pomocí trubic, porézních tvárnic nebo pomocí rota ních impeler .

• odply ovací trubice: grafitová, keramická trubka opat ená porézní zátkou vyrobené z porézní keramiky nebo porézního grafitu

• porézní tvárnice: v tšinou jsou zabudovány do vyzdívky ve dn tavící nebo specielní odply ovací pánve

(Umíst ní trubic nebo tvárnic musí být takové, aby sou asn s aplikací docházelo k míchání lázn .)

• rotorová za ízení: jsou bu stabilní nebo mobilní v nichž se nosný plyn vhání do taveniny grafitovým rotorem. asto používané je za ízení firmy Foseco ozna ované jako FDU (Foundry Degassing Unit), nebo firmy StrikoWestofen za ízení DC 2 a další. Plyn je vhán n osou rotoru z tlakové bomby. Nej ast ji se takto používá plyn dusík, mén asto argon.

7.6. Naply ování taveniny

V p edchozí kapitole bylo zmín no odply ování taveniny. V n kterých p ípadech je naopak žádoucí taveninu naplynit, abychom odstranily nežádoucí a získali ur ité požadované vlastnosti odlitku. Tato metoda úpravy taveniny se používá u tvarov složit jších odlitk skládajících se z r zných tlouš ek st n. Jak již bylo e eno d íve na tvorb plynových dutin se podílí, krom jiných ukazatel , též tlouš ka odlitku, kde náchyln jší na vady jsou zejména tlusté st ny odlitku, p íp. tomu m že být i v místech kde dochází k hromad ní materiálu, jak ukazuje následující obrázek.

V t chto místech se pak asto vytvá í tzv. porezita (dutiny, mikrostaženiny), která je p í inou zhoršených vlastností a takový odlitek je pak ozna en jako vadný a nepoužitelný.

Ú elem naply ování taveniny je v podstat p em na dutin na mikropóry. Tyto mikropóry se vytvá ejí za pomoci p ítomnosti oxid obsažených v hliníku a jejich velikost je dána rychlostí ochlazování. Naplyn ním taveniny vhodnými prost edky (nej ast ji naply ovací tablety) tedy dochází k eliminaci vzniku místn soust ed ných bublin a mikrostaženin na úkor p ítomnosti rovnom rn v celém pr ezu rozložených mikropór .

PRAKTICKÁ ÁST

8. Cíle práce

Cílem práce je ur it vliv odplyn ní resp. naplyn ní slitiny AlSi10Mg (EN AC 43000; d ív jší ozna ení SN 42 4331) na mechanické vlastnosti p i gravita ním lití do kovové formy.

a to u ty druh ošet ení taveniny bez jakéhokoliv dalšího tepelného zpracování.

U každého druhu ošet ení taveniny byla provedena následující m ení:

• spektrální analýza vzork

• ur ení indexu hustoty charakterizujícího naplyn ní metodou dvojího vážení

• me ení tvrdosti dle Brinella

• m ení mechanických vlastností statickou zkouškou tahem (Rp0,2, Rm, A)

Následující tabulka popisuje jednotlivé druhy ošet ení taveniny:

íslo vzorku Ošet ení taveniny 1 tavenina neošet ena

2 tavenina ošet ena 2 ks modifika ních tablet SIMODAL 97 3 tavenina odplyn na pomocí FDU (použit plyn dusík)

+ 2 modifika ní tablety SIMODAL 97

4 tavenina naplyn na pomocí 1 ks tablety HYDRAL 40 + 2 modifika ní tablety SIMODAL 97

Tablety SIMODAL 97

Používají se pro slitiny AlSi s obsahem k emíku od 5 do 13%. Jde o modifika ní tablety, které p i exotermické reakci uvol ují sodík.

Modifikace je proces, který ovliv uje zp sob r stu krystaliza ních zárodk a m ní morfologii vylou ených fází. Existuje obecný názor v tšiny autor , kte í se shodují v tvrzení, že eutektický k emík se v nemodifikovaném eutektiku vylu uje ve tvaru hexagonálních desek (v rovin výbrusu jehlice s ostrým zakon ením). Tento tvar eutektického k emíku u slitin Al-Si výrazn snižuje mechanické vlastnosti silumin . Modifikací dochází k výrazné zm n

struktury a vylou ení eutektického k emíku ve form ty inek až vláken, které se v rovin metalografického výbrusu jeví jako oblá zrna. [6]

a) nemodifikovaný eutektický k emík b) modifikovaný eutektický k emík Schematické znázorn ní r stového modelu eutektického k emíku [6]

Tablety HYDRAL 40

HYDRAL 40 je naply ovací inidlo pro hliník a všechny hliníkové slitiny. Ú inek jeho spo ívá v uvol ování ur itého obsahu vodíku z taveniny, který se znovu vylu uje ve form plynu b hem tuhnutí kovu – jeho vlastní tlak kompenzuje úbytek tuhnoucího kovu.

8.1. Spektrální analýza

M ení byla provedena ve firm Unitherm na za ízení SPECTROCAST. Následující obrázky ukazují jeden z použitých vzork . Na spodním obrázku jsou vid t místa, kde byla analýza provedena.

U každého odlitého vzorku byla provedena t i m ení a následn vyhodnocena pr m rná hodnota obsahu daného prvku.

Vzorek . 1: tavenina neošet ena

. m ení - obsah prvku Prvek (%)

1 2 3

Pr m rný obsah prvku

(%) Si 10,69 10,71 10,72 10,71 Fe 0,322 0,320 0,331 0,324

Cu 0,052 0,050 0,051 0,051

Mn 0,12 0,11 0,12 0,12

Mg 0,35 0,35 0,36 0,35

Zn 0,063 0,063 0,065 0,064

Ni 0,01 0,01 0,01 0,01

Cr 0,004 0,004 0,004 0,004 Pb < 0,000 < 0,000 < 0,000 < 0,002 Sn 0,002 0,002 0,003 < 0,005 Ti 0,026 0,026 0,030 0,027 Ca 0,0017 0,0029 0,0026 0,0024 Na 0,0001 0,0005 0,0003 < 0,0005

Sr < 0,000 < 0,000 < 0,000 < 0,001 Zr 0,000 < 0,000 0,000 < 0,001 Al 88,37 88,35 88,31 88,34

Poznámka:

Ozna ení „< 0,000 “ znamená, že obsah daného prvku byl pod m itelnou prahovou hodnotou danou nastavením na p ístroji a danou softwarem

Ozna ení nap . „< 0,002 “ zna í, že pr m r obsahu prvku ze všech m ení je nižší než prahová hodnota (v tomto p ípad 0,002 %)

Vzorek . 2: tavenina ošet ena 2 ks modifika ních tablet SIMODAL 97 . m ení - obsah prvku

Prvek (%)

1 2 3

Pr m rný obsah prvku

(%) Si 10,93 10,93 11,03 10,97 Fe 0,329 0,322 0,328 0,326

Cu 0,059 0,057 0,060 0,058

Mn 0,12 0,12 0,12 0,12

Mg 0,33 0,31 0,33 0,32

Zn 0,042 0,039 0,038 0,040

Ni 0,00 0,00 0,00 0,00

Cr 0,003 0,002 0,002 0,002 Pb 0,000 < 0,000 < 0,000 < 0,002 Sn 0,004 0,002 0,002 < 0,005 Ti 0,022 0,020 0,020 0,021 Ca 0,0026 0,0034 0,0044 0,0035 Na 0,0065 0,0059 0,0067 0,0064 Sr < 0,000 < 0,000 < 0,000 < 0,001 Zr 0,000 < 0,000 < 0,000 < 0,001 Al 88,15 88,18 88,06 88,13

Vzorek . 3: tavenina odplyn na pomocí FDU (použit plyn dusík) + 2 modifika ní tablety SIMODAL 97

. m ení - obsah prvku Prvek (%)

1 2 3

Pr m rný obsah prvku

(%) Si 10,90 10,82 10,79 10,83 Fe 0,330 0,324 0,321 0,326

Cu 0,053 0,053 0,050 0,052

Mn 0,12 0,12 0,12 0,12

Mg 0,40 0,40 0,40 0,40

Zn 0,093 0,092 0,093 0,093

Ni 0,01 0,01 0,01 0,01

Cr 0,006 0,006 0,006 0,006 Pb < 0,000 < 0,000 < 0,000 < 0,002 Sn 0,003 0,003 0,003 < 0,005 Ti 0,029 0,029 0,028 0,029 Ca 0,0028 0,0027 0,0029 0,0028 Na 0,0038 0,0026 0,0024 0,0029 Sr < 0,000 < 0,000 < 0,000 < 0,001 Zr 0,000 0,000 0,000 < 0,001

Vzorek . 4: tavenina naplyn na pomocí 1 ks tablety HYDRAL 40 + 2 modifika ní tablety SIMODAL 97

. m ení - obsah prvku Prvek (%)

1 2 3

Pr m rný obsah prvku

(%) Si 10,85 11,05 10,66 10,85 Fe 0,320 0,327 0,318 0,322

Cu 0,056 0,059 0,057 0,057

Mn 0,11 0,11 0,11 0,11

Mg 0,29 0,30 0,30 0,30

Zn 0,039 0,.04 0,038 0,039

Ni 0,00 0,00 0,00 0,00

Cr 0,003 0,003 0,002 0,003 Pb < 0,000 < 0,000 < 0,000 < 0,002 Sn 0,002 0,002 0,001 < 0,005

Ti 0,04 0,042 0,041 0,041

Ca 0,0025 0,0025 0,0027 0,0026 Na 0,0046 0,0045 0,0046 0,0046 Sr < 0,000 < 0,000 < 0,000 < 0,001 Zr < 0,000 < 0,000 < 0,000 < 0,001 Al 88,28 88,06 88,46 88,26

8.2. Naplyn ní vzork

Aby bylo možné n jakým zp sobem p iblížit jak mnoho použité druhy ošet ení taveninu naply ují nebo odply ují, provedl jsem stanovení tzv. indexu hustoty ozna ovaného jako index DI (z n meckého „Dichte index“), který se ur uje tzv. metodou dvojího vážení.

Metoda je jednoduchá, rychlá, p esná a nej ast ji ve slévárenských provozech využívaná.

Základní myšlenka metody je podpo ena Sievertsovým zákonem, podle n jž je za podtlaku v kovu nižší rozpustnost vodíku a proto se p i tuhnutí vylou í více vodíkových bublin, než p i tlaku atmosférickém. Bubliny tak z stávají uzav eny v materiálu a tím snižují jeho hustotu.

Cílem metody je ur it hustotu vzorku, který se nechá ztuhnout p i tlaku asi 8 kPa a porovnat ji s hustotou vzorku ztuhlého p i tlaku atmosférickém. Metoda využívá pro stanovení hustoty Archimédova zákona. [1]

Následující ilustra ní p íklad na obrázku ukazuje metodu ur ení hustoty vzorku využitím Archimédova zákona:

Postup m ení p i metod dvojího vážení [1]

Z nam ených hustot jsem poté stanovil index hustoty DI podle vztahu:

100

*

vzatm vzvak vzatm

DI ρ

ρ ρ −

= (%)

vzatm – hustota vzorku ztuhlého p i normálním tlaku

vzvak – hustota vzorku ztuhlého ve vakuu p i podtlaku 8 kPa

Výsledná hodnota ur uje naplyn ní vzorku. ím vyšší íslo, tím je vzorek více naplyn n.