Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů Seminář č. 2 Klíčová slova Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 2 ◦základní typy slitin neželezných kovů, slitiny hliníku, slitiny hořčíku, slitiny mědi, slitiny zinku, odlévání neželezných kovů, lití do netrvalých forem, lití do kovových forem, vady slitin neželezných kovů ◦ ◦Cíle kapitoly ◦ ◦Cílem kapitoly je shrnout základní informace z problematiky slévárenství neželezných slitin. Úvod do kapitoly Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 3 ◦Jako v předchozí kapitole, i zde je nutné podotknout, že cílem tohoto předmětu není se zabývat rozsáhlou problematikou podstaty slévárenských technologií. K tomu je určen náš předmět „Základy slévárenských technologií“, z jehož opory byl sestaven pouze výtah. Neželezné kovy jsou všechny kovy a slitiny, u nichž je základním prvkem jiný kov než železo. Největší využití mají tyto neželezné kovy: hliník, měď, hořčík, zinek, olovo, titan, nikl a jejich slitiny Slitiny hliníku Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 4 ünejrozšířenější a nejpoužívanější slitiny üjejich podíl představuje téměř 90 % hmotnosti všech vyráběných odlitků z neželezných slitin üvýznamnou skupinu tvoří odlitky hořčíkových slitin – nízká hmotnost a dobré mechanické vlastnosti üdalšími významnými materiálovými skupinami jsou slitiny mědi a slitiny zinky üdůležitou skupinu tvoří také slitiny niklu, které se vyznačují výbornými mechanickými vlastnostmi z vysokých teplot a odolností proti korozi – použití zejména v leteckém a automobilovém průmyslu ◦Z velkého počtu vyvinutých a odzkoušených slitin se v běžné slévárenské praxi používají základní typy: ◦ ✓ Al-Si (tzv. siluminy), ◦ ✓ Al-Cu (tzv. duralaluminiumy) ◦ ✓ Al-Mg (tzv. hydronalium) Slévárenské slitiny typu Al-Si (tzv. siluminy) Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 5 üobsahují 5 až 20 % Si a další přísady , z nichž nejčastější je Mn üobsah křemíku je vyšší než je jeho max. rozpustnost v tuhém roztoku Al üdobře slévatelný, odolává různým korozním vlivům, špatně obrobitelný üzlepšení mechanických vlastností siluminu se dosáhne menší přísadou hořčíku, která umožní vytvrzování slitiny ü vytvrzovatelný silumin se používá na skříně leteckých motorů, na součásti v automobilovém a leteckém průmyslu, zejména na složité a tenkostěnné odlitky üpodle rovnovážného diagramu tvoří pak hliník s křemíkem eutektický systém s omezenou rozpustností Si v Al ü Slévárenské slitiny typu Al-Si (tzv. siluminy) Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 6 Slitiny Al-Si lze rozdělit na: üpodeutektické - s obsahem Si do 10 % (nejpočetnější skupina), üeutektické - s obsahem Si v oblasti eutektického složení, ünadeutektické - s obsahem Si nad eutektickým složením, hranice není přesně definována, charakteristický je výskyt fáze (3 ve struktuře). ü Slévárenské slitiny typu Al-Si (tzv. siluminy) Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 7 rovnovážný diagram Al-Si a typické strukturní složení dle obsahu Si Slévárenské slitiny typu Al-Si (tzv. siluminy) Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 8 üpokud nejsou legovány dalšími prvky, označují se jako binární nebo jednoduché siluminy übinární siluminy Al-Si se však používají zřídka, osvědčily se hlavně jako pájky ük odlévání tvarových odlitků se používají tzv. speciální siluminy s dalšími přísadovými prvky ü ukázka struktury nemodifikovaného (a) a modifikovaného (b) siluminu AlSi12 Speciální siluminy Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 9 ünejvětší vliv na zlepšení pevnostních charakteristik siluminů mají přísady mědi a hořčíku, které umožňují takto vznikající speciální siluminy Al-Si-Cu a Al-Si-Mg vytvrzovat a dosáhnout vysokou pevnost üpřísadami ještě dalších prvků (Mn, Ti, Zn, Ni) vznikají siluminy o čtyřech i více složkách, které mají zlepšené některé další vlastnosti üslévárenské vlastnosti všech speciálních siluminů jsou však horší než u siluminů binárních üv automobilovém průmyslu se používají např. siluminy s přísadou niklu a mědi, příp. železa ü pevnost vybraných slitin hliníku pro odlitky Slévárenské slitiny Al-Cu (duraly) Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 10 ünejčastějšími přísadami jsou Mg, Cu, Si, Zu a Ni üměď tvoří s hliníkem slitiny s omezenou rozpustností v tuhém roztoku a eutektikem ürozpustnost mědi v hliníku při eutektické teplotě 548°C je max 5,7 % a při ochlazování se snižuje üvytvrditelné s vysokou pevností, tažností a lomovou houževnatostí üsnižující se rozpustnost Cu umožňuje provádět vytvrzování za tepla i za studena üvelmi důležitý konstrukční materiál na stavbu letadel, kolejových vozidel, automobilů aj. ümenší odolnosti proti korozi, díky obsahu mědi üpokud je nutná odolnost proti korozi, používá se plátovaný dural ükdyž jsou na materiál kladen větší požadavky, používá se superdural s vyšším obsahem hořčíku ü Slévárenské slitiny Al-Cu (duraly) Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 11 rovnovážný diagram Al-Cu Slévárenské slitiny typu Al-Mg (hydronalium) Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 12 Slévárenské slitiny typu Al-Mg (hydronalium) Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 13 ü ü rovnovážný diagram Al-Mg Slévárenské slitiny hořčíku Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 14 üpřevážná část hořčíkových slitin se zpracovává odléváním ühlavním přísadovým prvkem je téměř výhradně hliník, slitiny Mg-Al s nízkou hmotností üčím je ve slitině vyšší obsah hliníku, tím lepší je zabíhavost üze slitin hořčíku je nejznámější tzv. elektron, obsahující též zinek a mangan, který se přidává do každé hořčíkové slitiny , aby se zvětšila odolnost proti korozi a zmenšila vznítivost ütechnicky zajímavé, ale výrobně mimořádně složité jsou superlehké slitiny Mg-Li ünejčastěji používanou slitinou pro tlakové lití je slitina s 9 % Al a 1 % Zn, označovaná jako AZ91, má vynikající zabíhavost a umožňuje odlévat tenkostěnné, tvarově velmi komplikované odlitky, má vysokou pevnost, ale pouze střední tažnost a houževnost üpro vyšší tažnost a houževnatost se snižuje obsah hliníku a zinek je nahrazen manganem – tyto materiály se používají pro odlitky s vysokými požadavky na bezpečnost, např. volanty aut, armatury řízení a díly sedadel ü ü Slévárenské slitiny mědi Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 15 üvyužívají se jejich specifické mechanické, frikční, fyzikální, antikorozní a jiné vlastnosti üpodle hlavního přísadového prvku se dělí do dvou základních skupin – bronzy a mosazi übronzy se podle hlavního přísadového prvku nebo skupiny přísadových prvků dělí do jednotlivých materiálových skupin, kdy nejvýznamnější skupiny jsou bronzy: cínové, cíno-olověné, hliníkové a olověné üz dalších typů slitin se v menším rozsahu vyrábí slitiny Cu-Ni, Cu-Cr, Cu-Mn, Cu-Si, Cu-Be a další üz hlediska slévárenského je důležitá šířka pásma tuhnutí mezi teplotami likvidu a solidu ü ü Slévárenské slitiny mědi Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 16 Podle tohoto kritéria je možno slitiny rozdělit zhruba do 3 skupin: üslitiny s úzkým intervalem tuhnutí do asi 50 K. Mezi tyto slitiny patří žluté mosazi, manganový, hliníkový a niklový bronz (slitiny CuZnNiSnPb) a chromová měď, üslitiny s intervalem tuhnutí 50-110 K – do této skupiny patří zejména křemíková mosaz, křemíkový bronz a slitiny Cu-Ni, üslitiny s intervalem tuhnutí nad 110 K (až do asi 170 K) – cínový a cíno-olověný bronz, červený bronz a olověný bronz. ü üšířka intervalu tuhnutí má rozhodující význam pro schopnost dosazování kovu do tuhnoucího odlitku a pro makro- a mikrosegregaci přísadových prvků ü ü Slévárenské slitiny zinku Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 17 ühlavní přísadový prvek je hliník, vysoká pevnost v tahu a houževnost, dobrá tvářitelnost, schopnost tlumit vibrace, odolnost proti korozi ürovnovážný diagram systému Zn-Al je typem diagramu s primární fází s omezenou rozpustností přísadového prvku a se vznikem eutektika üeutektikum je tvořeno fází Zn-ZnAl, eutektická teplota systému Zn-Al je rovna 382°C při koncentraci 5,5 % Al üobsah hliníku v normovaných slitinách se pohybuje v rozmezí 4-27 % Al üslitiny zinku se odlévají všemi běžnými slévárenskými metodami, výrazně však převažuje metoda tlakového lití üdoporučuje se odlévat na strojích se studenou komorou, v nichž je teplota forem nižší, aby nedocházelo k nalepování odlitků nebo reakci kovu s formou ü ü Slévárenské slitiny zinku Přednáška č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 18 ü ü rovnovážný diagram Zn-Al Odlévání do netrvalých forem Přednáška č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 19 ütyto netrvalé (jednorázové) formy se při vyjmutí odlitku formy zničí Lití do pískových forem: üflexibilní metoda, která je vhodná pro všechny hmotností kategorie odlitků üpoužívá se především pro kusovou a malosériovou výrobu menších odlitků V-proces: ümetoda, která se ve světě uplatňuje ve stále větší míře pro výrobu tvarově složitých odlitků s vnitřními dutinami, které by bylo nutno vyrobit komplikovanými jádry ütypické je použití v automobilovém průmyslu pro výrobu hlav válců, výfukového potrubí nebo složitých skříňovitých odlitků lití do netrvalé pískové formy Odlévání do netrvalých forem Přednáška č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 20 Lití do skořepinových forem: üformy, vyrobené metodou z vytavitelného modelu, je velmi vhodnou technologií pro menší, tvarově komplikované odlitky z hliníkových slitin üpro výrobu forem se obvykle používá křemenná keramika üvzhledem k malému mechanickému a tepelnému namáhání se odléhá do samonosných skořepin, které mají menší počet obalů, než je obvyklé při lití slitin železa nebo niklu üformy bývají pře litím předehřáty a na 200 až 300 °C üodlitky mají vysokou přesnost, řadu rozměrů a je možno předlévát „nahotovo“ Odlévání do kovových forem Přednáška č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 21 üdo trvalých kovových forem se odlévají především odlitky menších až středních rozměrů üúčelnost použití kovových forem je limitována především náklady na jejich zhotovení Gravitační lití do kovových forem Přednáška č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 22 üjednoduchá technologie üformy bývají obvykle zhotoveny odléváním z litiny s lupínkovým nebo kuličkovým grafitem üdělící rovina, upínací výstupky a vyhazovací otvory jsou obrobeny, funkční plocha dutiny formy zůstává často v litem stavu üjsou ovšem možné i jiné technologie výroby a jiné druhy materiálů kovových forem üpovrch forem se periodicky ošetřuje nátěry, které zamezují lepení odlitků ke kokile a rozpouštění železa ünálitky mohou být ošetřeny tepelně-izolačními nátěry nebo je také možné do nálitků zakládat izolační nebo exotermické vložky Tlakové lití Přednáška č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 23 ünejdůležitější technologií výroby hliníkových odlitků üprincipem výroby je vstřikování roztavené slitiny do dutiny kovové pod vysokým tlakem až 250MPa, za těchto podmínek je možné vyrábět tvarově velmi komplikované odlitky ütvar odlitku musí respektovat možnosti rozebrání formy a vytažení volných částí a jader ümaximální velkost odlitků, které se na konkrétním stroji dají vyrobit, je limitována maximální hmotností kovu a uzavírací silou stroje, je to hodnota síly, kterou jsou svírány obě poloviny formy üpodle konstrukce se tlakové stroje dělí na dva základní typy: se studenou a s teplou komorou üpodle směru pohybu plnicího pístu mohou být stroje se svislou nebo vodorovnou komorou Tlakové lití Přednáška č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 24 üslitiny hliníku se v současné době odlévají téměř výhradně na strojích se studenou horizontální komorou ütlakově lité odlitky nejsou, co se týče vnitřní homogenity, příliš kvalitními výrobky üpři rozstřikování kovu ve formě dochází k jeho oxidaci a reakci s mazadlem a důsledkem je vznik velkého množství vměstků Nízkotlaké lití Přednáška č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 25 üstroj pro tuto technologii je tvořen tlakotěsnou udržovací pecí, nad kterou je upnuta dělená kovová forma, obvykle s vodorovnou dělící rovinou ütavenina v kelímku pece je se spodním dílem formy propojena stoupací trubicí ze žáruvzdorného materiálu tak, že trubice spodním okrajem zasahuje pod hladinu kovu üodlévání se provádí zvýšením tlaku nad hladinou kovu, čímž je kov z kelímku vtlačován stoupací trubicí vzhůru do formy üústí stoupací trubice je ponořeno pod vrstvu oxidů a nečistot na hladině pece, proto vstupuje do formy čistý kov bez vměstků üvyužití tekutého kovu je při nízkotlakém lití mimořádně vysoké a dosahuje přes 90 % ükvalita odlitků, vyrobených touto metodou, je velmi vysoká ünízkotlakým litím je možno vyrábět různorodé hmotnostní kategorie odlitků üpři lití silnostěnných odlitků s dlouhou dobou tuhnutí se však velmi prodlužuje délka výrobního cyklu Odlévání do kovových forem Přednáška č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 26 Kontrola odlitků a opravy vad Přednáška č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 27 Impregnace odlitků Přednáška č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 28 üv případě, kdy se vyžaduje těsnost odlitků vůči průniku tlakových médii, provádí se zkoušky těsnosti ütěsnost se kontroluje téměř výhradně pomocí přetlaku plynů, neboť stěna odlitků je pro plyny podstatně propustnější než pro kapaliny üdutina odlitků se uzavře vhodnými zátkami, odlitky se ponoří do vody a natlakují vzduchem üprůnik plynu je indikován vznikem bublin Izostatické lisování za tepla Přednáška č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 29 üHIP (hot isostatic pressing) se používá k odstranění dutin a zvýšení mechanických a únavových vlastností odlitků üvýsledkem je zvýšení vnitřní homogenity a hustoty slitiny üodlitky jsou umístěny v tlakové komoře izostatického lisu, ohřáty na teplotu blízkou teplotě solidu příslušné slitiny a tlak v komoře lisu je zvýšen na hodnoty kolem 100 MPa Opravy zavařováním Přednáška č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 30 üzavařováním se odstraňují lokální vady typu dutin, prasklin nebo defekty tvaru (např. podříznutí při odstraňování nálitků nebo místní podbroušení apod.) üpodmínkou použití této metody je přípustnost svařování pro daný odlitek Kontrolní otázky Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 31 1. Charakterizujte základní typ hliníkových slitin. 2. Charakterizujte slévárenské slitiny typu Al-Si. 3. Uveďte a popište slévárenské slitiny typu Al-Cu. 4. Definujte slévárenské slitiny typu Al-Mg. 5. Uveďte aplikace ve strojírenské praxi následujících slitin typu Al-Si, Al-Cu a Al-Mg. 6. Charakterizujte slévárenské slitiny hořčíku. 7. Uveďte základní typy slévárenských slitin mědi. 8. Definujte slévárenské slitiny zinku. 9. Vyjmenujte technologie odlévání hliníkových slitin do netrvalých forem. Kontrolní otázky Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 32 10. Popište princip technologie lití do pískových forem. 11. Uveďte a popište technologii lití do skořepinových forem. 12. Definujte technologie odlévání do kovových forem. 13. Uveďte princip technologie tlakového lití. 14. Charakterizujte a popište technologii nízkotlakého lití. 15. Charakterizujte zkoušky jakosti odlitků nejčastěji požadované zákazníky. 16. Definujte princip a účel impregnace odlitků. 17. Uveďte, k čemu je používána technologie o názvu izostatické lisování za tepla. 18. Definujte princip oprav zavařováním. Použitá literatura a zdroje Seminář č. 2 Shrnutí problematiky slévárenských technologií neželezných kovů 33 ü[online]. [cit. 2021-02-03]. Dostupné z: https://docplayer.cz/12533621-Vyroba-odlitku-ze-slitin-hliniku.html ü ü[online]. [cit. 2021-02-08]. Dostupné z: http://fyzika.upol.cz/cs/system/files/download/vujtek/granty/lapsanska_prehled_metod_svarovani.pdf ü ü[online]. [cit. 2021-02-08]. Dostupné z: https://www.mpif.org/IntrotoPM/Processes/IsostaticPressing.aspx