Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Metalurgie slitin Al
Rozdělení slitin Al
• Al-Si – siluminy
• Al-Cu – duraly
• Al-Mg – hydronalia (hydronaly)• Al-Mg – hydronalia (hydronaly)
• Al-Zn – zinkové siluminy (nesprávně)
Al-Cu – duraly
• historicky nejstarší• dnes pouze 2 slitiny tohoto typu (AlCu5)• široký interval tuhnutí, obtížně nálitkovatelné• náchylnost k trhlinám za tepla• špatná zabíhavost• špatná zabíhavost• nízká odolnost proti korozi• špatně zavařitelné• vysoká pevnost (až přes 400 MPa), tažnost• možnost vytvrzení (fáze Al2Cu)• lepší leštitelnost než Al-Si• dále přídavek Ti, Mg, Mn, Ni(NiAl3), Ag
Al-Mg – hydronaly
• 3, 5, 9 % Mg• špatné slévárenské vlastnosti• zlepšení přídavkem Si, ale klesá A• široký interval tuhnutí• horší tekutost a zabíhavost• náchylnost k trhlinám• náchylnost k trhlinám• sklon k naplynění, netlakotěsné, silná oxidace• MV obecně horší než u Al-Si, ale lepší A (až 5 %)• dobrá obrobitelnost, leštitelnost (elox) - dekorace• odolnost proti korozi – v alkalických prostředích
– lodní, chemický, potravin. průmysl• gravitačně: do písku, do kokil; tlakově
Al-Zn – zinkové siluminy• nejsou rozšířené• norma: pouze 1 slitina AlZn5Mg (Unifont 90)• dobré pevnostní a slévárenské char.• dobrá slévatelnost,
sklon ke vzniku staženin, prasklinsklon ke vzniku staženin, prasklin• dále Mg, Cu, Mn• tvarové odlitky v autom. průmyslu• vysoká rozměrová stabilita, odolnost x korozi,
dobrá obrobitelnost• náchylnost ke korozi pod napětím• malá tlakotěsnost
Proč Al-Si?
Norma ČSN EN 1706rozlišuje 29 druhů slitin Al-Si
Proč Al-Si?
...optimální mechanické a metalurgické vlastnosti...
Al-Si
• RD s omezenou rozpustností se vznikem eutektika
• homogenní tuhý roztok – substituční –přísady větší – deformace mřížky (KPlS)
• eutektikum• eutektikum
• intermetalické fáze – vznik při přesažení rozpustnosti
– z taveniny
– peritektickou přeměnou
– precipitací z TR
Rozdělení slitin Al-Si
• podeutektické – dobře slévatelné
– obsah Si do 10 %
– dendrity fáze α + eutektikum (α + β) (α(Al)+Si)
• eutektické – nejvyšší pevnost
– 12 % Si– 12 % Si
– eutektikum (α + β)
• nadeutektické – tvrdé – písty spal. motorů
– 12 – 25 % Si
– primární krystaly Si + eutektikum (α + β)
Podeutektické:
• nejpočetnější
• skupiny:
– AlSi2MgTi
– AlSi7Mg– AlSi7Mg
– AlSi10Mg
– AlSi5Cu
– AlSi9Cu
a jejich podskupiny
• ale náchylné k tvorbě trhlin za tepla
Eutektické:
• AlSi11, AlSi12 a jejich podskupiny
• úzký interval tuhnutí• úzký interval tuhnutí
• vysoká zabíhavost
• sklon k soustředným staženinám
• slabá tloušťka stěny
• vysoká tažnost a plasticita na úkor pevnosti
• AlSi12CuNiMg (komplexní pístová slitina)
Nadeutektické:
• nejsou zakotveny v normách
• záležitost specializovaných výrobců specializovaných výrobců a specielních aplikací
• kluzné aplikace
• vyloučení primárních zrn Si
Další slitinové prvky- tvoří další intermetalické fáze
- mohou mít negativní vliv
• legury:• legury:
– Si, Cu, Mn, Mg, Ni, Ti
• příměsi:
– Fe, Cr, Zn, Pb, Sn
• Cu – zlepšení mech. vlastností, obrobitelnosti, horší kor. chování, zpevňující fáze CuAl2
• Mg – obecně zlepšuje vlastnosti slitiny, Mg2Si –důležitá fáze pro vytvrzování
• Fe – riziko zhoršení mech. vlastností tvorbou „jehlic FeAl3“, FeNiAl9 , FeSiAl5, Al15(FeMn)3Si2) 3 9 5 15 3 2
• Mn – zmírňuje neg. účinek Fe (0,5 obsahu Fe)
• Sn – nečistota, způsobuje křehnutí
• Ni – do 2% legura do komplexních slitin (potrojná žárupevná fáze Al3Cu2Ni)
• Ti – zpevňující, žárupevnost, očkovadlo
• Cr – zvyšuje riziko tvorby kalových fází
AlSi9Cu3
AlSi10Mg
AlSi7Mg
AlSi9Cu3
sedimentovaná prim. fáze Al15Mn3Si2
Příprava tekutého kovu• vsázka:
– koupené slitiny (housky) požadovaného složení (40 – 50 ale až 100 %)
– „vratný materiál“ (vtoky, zmetky) stejného složení!!! (až 0, běžně 50 – 60 %)(až 0, běžně 50 – 60 %)
– ale může být i jinak (šrot, třísky, …) nutno však dobře řídit proces a hlídat chemické složení
• obecně pro všechny slitiny podobné
Pece pro tavení slitin Al-Si:
• plynové šachtové
• elektrické odporové• elektrické odporové
• plynové kelímkové
• indukční
Tavení a ošetření taveniny
• vsázka suchá, pevná
– kryté sklady vsázky a vratu!
• kelímky, pece – vysušené• kelímky, pece – vysušené
• dovsazování do pece – předehřáté!!!
• čisté kovy – nejprve ten s nejvyšší teplotou
• nepřekračovat max. teplotu přehřátí → oxidace, naplynění, propal, …
• co nejrychleji → propal, naplynění, …
• v případě nutnosti (slitiny Mg, AlMg, …)
použití krycích přípravků (struska solí,
ochranná atmosféra, …)
• řádně provádět zpracování taveniny (rafinace,
očkování, modifikace, …)
• rafinace = čištění + odplynění
• promíchání a zpracování – nářadí opatřené
nátěrem – suché!!! předehřáté!!!
• minimální manipulace
– nedojde k opětovnému naplynění
Nátěr nářadí
• nesmáčivý, aby se kov na nářadí „nelepil“
• ochrana– nástroje před kovem– nástroje před kovem
– taveniny před sycením železem
• osvědčené: dobře drží a neoprýská– kaolin 400 g
– mastek 150 g
– vodní sklo 100 g
– voda 8 l
Ošetření taveniny
• taveninu ovlivníme metalurgickými procesy a činiteli:
– teplota
– doba prodlev– doba prodlev
– rafinace
– očkování
– modifikace
– odplynění
→ výrazný vliv na kavlitu odlitku!!!
Měření a vliv teploty na jakost taveniny
• teplota slitin Al nepřesáhnout 780˚C !!!
• běžně kolem 750 ˚C
• barva taveniny stále stejná – nutno měřit
• termočlánky NiCr-Ni• termočlánky NiCr-Ni
• krátkodobé kontrolní měření – bez ochranných trubic
• trvale ponořený termočlánek – ochranná trubice (grafit, litina) + ochranný nátěr
• nutno kalibrovat, včas měnit
• nutno teplotu udržovat dle postupu
• přehřívání vede k:
– zvýšená oxidace (→vměstky)
– naplynění (zvýšený obsah rozpuštěného vodíku)
– zvýšený propal prvků
– omezení účinnosti očkování a modifikace– omezení účinnosti očkování a modifikace
– snížení životnosti vyzdívky či kelímků
• nízká teplota – také problém
→ tvorba intermetalických (kalových) fází
Pokles teploty:
– v tavicí peci:
• dlouhodobé udržování
• přelévání do transportních pánví
– v transportní pánvi:
• během úpravy taveniny (odplynění)
– v udržovacích pecích:– v udržovacích pecích:
• dlouhodobé udržování
• přerušení lití (svátky, školení, …)
• přetavování zmetků přímo
– při odlévání:
• v dávkovacích trubicích
• v naběračkách
Metalurgie slitin Al-Si
• Omezení vzniku vměstků či jejich odstranění
• Rafinace
• Odplynění• Odplynění
• Očkování, modifikace
• Tepelné zpracování
• Kontrola
Vměstky
Exogenní – vznikají během tavení a odlévání – reakce s vyzdívkou pece, formou, ...
Endogenní – vznikají oxidací a chemickými reakcemi mezi jednotlivými prvky v samotné taveniněv samotné tavenině
• Oxidické blány (Al + O2 =>Al2O3 v modifikaci γ)
• Makroskopické vměstky kompaktního tvaru
• Mikroskopické (jemné) částice rozložené místně či rovnoměrně
• Intermetalické fáze
Oxidy
• Al reaguje s kyslíkem – pokrytí hladiny tenkou souvislou vrstvou – oxidická blána
• brání další oxidaci – výhoda, ale nesmí se porušit
• negativní vliv oxidů - vměstky:– zhoršují zabíhavost
– zvýšení četnosti a velikosti mikrostaženin
– váží vodík – bubliny
– snižují pevnost
– tvorba nárůstku v peci
– zhoršení obrobitelnosti, zvýšení opotřebení nástroje
– zhoršení kvality povrchu
– zhoršení těsnosti odlitků
• rychlost oxidace závislá na teplotě
• největší vznik oxidů – na počátku natavení,
v kašovitém stavu → velký povrch vsázky
a je přehříván
• největší vznik oxidů – při pomalém tavení• největší vznik oxidů – při pomalém tavení
• oxidy „zabalené“ v tavenině
– špatně se odstraňují
Oxidická blána ve struktuře
Velké částice intermetalické fáze FeSiAl5 v podeutektickém siluminu
Rozsáhlý endogenní vměstek kopírující hranice dendritických zrn
Nekovové vměstky
• cizí částice – vnesené do taveniny
– během tavení
– během zpracování– během zpracování
– během lití
• nalijí se do odlitku
• → zhoršení kvality odlitků a možnosti následného zpracování
Vměstky ve slitinách Al-Si ovlivňují:
• Mechanické vlastnosti (= vruby, snížení nosného průřezu, koncentrace napětí)
• Slévárenské vlastnosti (překážky tečení, zaběhnutí, • Slévárenské vlastnosti (překážky tečení, zaběhnutí, zavalení zejména blan Al2O3)
• Obrobitelnost (tvrdé částice)
• Těsnost
• Povrchové úpravy (zhoršená možnost leštění, eloxování)
Rafinace taveniny
rafinace = čištění = snižování obsahu vměstků
Způsoby:Způsoby:
• Odstátí taveniny
• Vynášení vměstků plynovými bublinami
• Chemická vazba vměstků pomocí krycích a rafinačních solí
• Mechanické zachycování vměstků – filtrace taveniny
Chemická rafinace:
• odstranění oxidických vměstků z taveniny
• snížení propalu hliníku
• snížení obsahu některých nežádoucích prvků, sloučenin
Čím a jak:
• směsi chloridových a fluoridových solí s přísadou aktivních komponent
• reagují s nimi a ovlivňují povrchové napětí mezi kovem a oxidy
• nečistoty se vyplavují ve formě strusky na hladinu
• „stěry“ = oxidy a vměstky + kovová fáze Al � „přetavování stěrů“?
Filtrace• filtry tkaninové, keramické, kovová sítka
• cedítka – keramická
• při přelévání z transportních pánví do udržovacích pecí
• přímo ve formách ve vtokovém systému
Naplynění
• u slitin Al je největší problém vodík
• rozpustný v Al – skoková změna při TT
• z vlhkosti, ze vzduchu, z pece…• z vlhkosti, ze vzduchu, z pece…
• vázán na oxidy
Odplynění slitin Al-Si
97 % plynů v tavenině je H2 , dále vzduch, páry, spaliny, ...
Al + 3H2O => 3H2 + Al2O3
Obvykle se obsah H2 pohybuje od 0,2 do 0,8 cm3/100 g Al.
Obsah H2 závisí na :
• vsázkových surovinách (složení, vlhkost)
• druhu tavící pece (topné medium, vyzdívka, ...)
• druhu a vlhkosti solí
• ...
Vodíková bublina pokrytá vrstvou Al2O3
Porovnání plynové porezity a objemové porezity
H2 lze odstranit:
• probubláváním inertních nebo aktivních plynů plynů
– rotační odplyňovače (FDU)
– odplyňovací trubky
– probublávací kameny
– plyny N, Ar, Cl, F
•• odplyňovacími tabletami, prášky, granule
– rozklad při teplotě cca 600°C za vzniku plynného N, případně Cl či F
– ponorný zvon – soli ke dnu
– reakce dojde na hladinu - stáhnutí strusky
• podchlazením taveniny (neodstraní se H2, ale zamezí se vzniku bublin – čas, ale problém při opětovném zahřátí )
Rotační odplyňovač:
Probublávací kámen
Ovlivnění morfologie struktury slitin Al-Si:
Z důvodu zlepšení mech vlastností (Rp, Rm, tažnost, houževnatost), což závisí na velikosti zrna
(Hall – Petch).
• očkování – zjemnění prim. krystalů Al (α) a Si (β), ovlivnění pevnostních vlastností
• modifikace – zjemnění eutektika (α + β), ovlivnění plastických vlastností
Očkování:přídavkem předslitin, prvků
• primární krystaly Al α
– zejména u podeutektických do 7% Si (α je převážně)
– očkovadla Ti, B, Zr
– fáze Al-Ti-B, Al-Zr
• primární krystaly Si β
– u nadeutektických
– očkovadlo P (70 – 100 ppm)
Modifikace:přídavkem solí, předslitin, předmodifikovaná slitina
• ovlivnění krystalizace eutektika α + β
– u pod- a eutektických
– modifikační přísady Na, Sr, Sb (Ca, Ba, Te)– modifikační přísady Na, Sr, Sb (Ca, Ba, Te)
– Na max. 50 – 100 ppm, účinek časově závislý (max. 30 min.) (soli NaCl, NaF, kovové patrony, exotermické tablety)
– Sr do 400 ppm – zlepšuje zabíhavost, nesmí přijít do styku s P a Cl, má vliv na rozpustnost H (soli, předslitiny Al-Sr)
– Sb – předmodifikované slitiny
– přemodifikování – řetízky Si po hranicích zrn – nová intermetalická fáze
zrnité lamelární modifikované
•
nemodifikovaný eut. křemík modifikovaný eut. Křemíkdesky tyčinky
F litý stav0 ž. na odstranění vn. pnutí nebo stabilizační žíháníT4 RŽ + vytvrzení za studenaT5 umělé stárnutí bez HŽ, stabilizace tvaru a rozměrů
(zlepšení obrobitelnosti, odstr. vn. pnutí) 205 – 260 ºC/7-10 hod
Tepelné zpracování slitin Al-Si
ºC/7-10 hodT6 komplexní tep. zprac., RŽ (520 – 540 ºC/3-6 hod),
rychlé ochlazení, precip. vytvrzení za tepla, 145 – 160 ºC/3-5 hod
T7 s přestárnutímT64 na max. houževnatostT61 na max. pevnost a tvrdostT71 přestárnutí do stabilizovaného stavu
Tepelné zpracování
• vytvrzování (zvýš. HB, Rp, Rm, sníž. A)– podmínkou:
• rozpustnost přísady (Cu, Mg, Ni, Zn) → fáze CuAl2, Mg2Si, Ni3Al, MgZn2
• obsah přísady (dle solvu)• obsah přísady (dle solvu)
– T6 – umělé stárnutí: rozp. žíhání + rychlé ochlazení, precipitace
• žíhání na snížení vnitřních pnutí– u nevytvrzených
– stabilizace rozměrů
– 400 – 450 °C několik hodin, pomalé ochl. v peci
Kontrola účinku metalurgických procesů
• měření naplynění taveniny– tzv. Dichte Index – metoda dvojího vážení
( )100.vzvakvzatmDI
ρρρ −=
– Dross Test, Stauber Pfeifer Test
• termická analýza– na principu přechlazení
– posouzení primárního zrna
– posouzení účinku modifikace
• spektrometrie – chemické složení
vzatmρ
Kontrola chemického složení
• stěžejní parametr – norma, zákazník
• dnes moderní – rychlé – okamžitě
• spektrální analýza – kvantometrie
• pokud vyhovuje – tavenina uvolněna k lití• pokud vyhovuje – tavenina uvolněna k lití
• odběr vzorku – neznečistit!– opatrné promíchání, stažení strusky, správně ošetřené předehřáté nářadí
• kontrola složení též při přejímce housek
měření DI metodou dvojího vážení
termická analýza
12,5%