Metalurgie slitin Al
Rozdělení slitin Al
•
•
•
•
Al-Si – siluminy
Al-Cu – duraly
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
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
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, 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
Norma ČSN EN 1706
rozlišuje 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
• 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
– eutektikum (α + β)
• nadeutektické – tvrdé – písty spal. motorů
– 12 – 25 % Si
– primární krystaly Si + eutektikum (α + β)
Podeutektické:
• nejpočetnější
• skupiny:
– AlSi2MgTi
– AlSi7Mg
– AlSi10Mg
– AlSi5Cu
– AlSi9Cu
a jejich podskupiny
• ale náchylné k tvorbě trhlin za tepla
Eutektické:
•
•
•
•
•
•
•
AlSi11, AlSi12 a jejich podskupiny
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
a specielních aplikací
• kluzné aplikace
• vyloučení primárních zrn Si
Další slitinové prvky
- tvoří další intermetalické fáze
- mohou mít negativní vliv
• 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)
• 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 %)
– 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
• plynové kelímkové
• indukční
Tavení a ošetření taveniny
• vsázka suchá, pevná
– kryté sklady vsázky a vratu!
•
•
•
•
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
– 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
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
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
– 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:
• 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
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 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
• 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 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,
zavalení zejména blan Al2O3)
•
Obrobitelnost (tvrdé částice)
•
Těsnost
•
Povrchové úpravy
(zhoršená možnost leštění, eloxování)
Rafinace taveniny
rafinace = čištění = snižování obsahu vměstků
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…
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)
– 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
desky
modifikovaný eut. Křemík
tyčinky
Tepelné zpracování slitin Al-Si
F
0
T4
T5
T6
T7
T64
T61
T71
litý stav
ž. na odstranění vn. pnutí nebo stabilizační žíhání
RŽ + vytvrzení za studena
umělé stárnutí bez HŽ, stabilizace tvaru a rozměrů
(zlepšení obrobitelnosti, odstr. vn. pnutí) 205 – 260
ºC/7-10 hod
komplexní tep. zprac., RŽ (520 – 540 ºC/3-6 hod),
rychlé ochlazení, precip. vytvrzení za tepla, 145 – 160
ºC/3-5 hod
s přestárnutím
na max. houževnatost
na max. pevnost a tvrdost
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)
– 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
(
ρ vzatm − ρ vzvak )
DI =
.100
ρ vzatm
– Dross Test, Stauber Pfeifer Test
• termická analýza
– na principu přechlazení
– posouzení primárního zrna
– posouzení účinku modifikace
• spektrometrie – chemické složení
Kontrola chemického složení
•
•
•
•
•
stěžejní parametr – norma, zákazník
dnes moderní – rychlé – okamžitě
spektrální analýza – kvantometrie
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%
Download

9392 kB