Metalurgie slitin Al. Vznik vměstků: Vměstky ve slitinách Al Hlavní typy vměstků:

Transkript

1

2 Metalurgie slitin Al Omezení vzniku vměstků Rafinace Odplynění Očkování Modifikace Kontrola MPL II 7 Vměstky ve slitinách Al Hlavní typy vměstků: Oxidické blány Makroskopické vměstky kompaktního tvaru Mikroskopické (jemné) částice rozložené místně či rovnoměrně Vměstky negativně ovlivňují : Mechanické vlastnosti (vruby) Slévárenské vlastnosti (překážky v kovu, zejména blány Al 2 O 3, zabíhavost) Obrobitelnost (tvrdé částice) Těsnost Povrchové úpravy (zhoršená možnost leštění, eloxování) MPL II 8 Cu ve struktuře slitin Al-Si Ni ve struktuře slitin Al-Si Mg ve struktuře slitin Al-Si Fe ve struktuře slitin Al-Si Vznik vměstků: Exogenní vznikají během tavení a odlévání reakce s vyzdívkou pece, formou Endogenní vznikají oxidací a chemickými reakcemi mezi jednotlivými prvky v samotné tavenině MPL II 9 MPL II 10 Typ Al 2 O 3 MgO MgAl 2 O 4 Chloridy, fluoridy TiC Zjemňující přísady Částice 0,1 5 TiB 2, AlB 2 Zjemňující přísady Shluky, 1 30 Částice 0,1 3 Fe-Cr-Mn Typy endogenních vměstků Původ vměstků Struska Struska Struska Soli Tvar Částice, Film Částice, Film Částice, Film Částice Částice Velikost (µm) 0, , , , Chemická reakce nízká udržovací teplota MPL II 11 Rafinace taveniny Rafinace = snižování vměstků Způsoby rafinace: Odstátí taveniny Vynášení vměstků plynovými bublinami Chemická vazba vměstků pomocí krycích a rafinačních solí Mechanické zachycování vměstků filtrace taveniny MPL II 12 2

3 Krycí přípravky: Úkol: bránit přímému kontaktu s atmosférickým kyslíkem a s vlhkostí Složení krycích solí: chloridy a fluoridy alkalických kovů (NaCl, KCl, NaF, KF, CaCl 2, Na 3 AlF 6 (kryolit) atd. Rafinační přípravky Úkol: odstranění oxidických vměstků z taveniny, snížení propalu hliníku, případné snížení obsahu některých nežádoucích prvků Čím se rafinuje: směsi chloridových a fluoridových solí s přísadou aktivních komponent reagují s nimi a ovlivňují povrchové napětí mezi kovem a oxidy Dávkování: dle zakrytí celé hladiny (cca 1% z hmotnosti vsázky) Pro silumíny se používá výjimečně. Výsledek: nečistoty vyplavují ve formě strusky na hladinu stěry ty obsahují krom oxidů a vměstků i značný podíl kovové fáze Al lze je hutně zpracovávat a využít Al MPL II 13 MPL II 14 Filtrace Používají se tkaninové filtry, kovová sítka či keramické filtry filtrovat se může při přelévání z transportních pánví do udržovacích pecí či přímo ve formách. Odplynění Al slitin Odplyňování = metalurgická operace cílem je snížení obsahu H na úroveň, kdy nedojde k vyloučení bublin. Pro zamezení vzniku bublin je nutné obsah H snížit pod úroveň 0,2 (někdy až pod 0,1) cm 3 /100 g Al. Obsah H závisí na : Druhu tavící pece Použitých vsázkových surovinách Vlhkosti použití solích a dalších parametrech Obvykle se obsah H pohybuje v rozmezí od 0,2 do 0,8 cm 3 /100 g Al MPL II 15 MPL II 16 Přípustný obsah H záleží : Na použité technologii (lití do písku, kokil, tlakově) Na tloušťkách stěn (rychlosti tuhnutí) A na účelu použití odlitků Obecně platí čím pomalejší je tuhnutí, tím vyšší je sklon ke vzniku bublin a tím dokonalejší musí být odplynění Nebezpečí: plynové póry mohou částečně či úplně nahrazovat úbytek kovu stahováním při tuhnutí. Velmi silně odplyněná tavenina má silný sklon k tvorbě soustředěných staženin vyžaduje intenzivní nálitkování Snížení obsahu plynů v Al slitinách se provádí : Vakuováním taveniny Probubláváním taveniny aktivními či neaktivními plyny!!! Pozn. Pouhé odstátí taveniny nemá vliv na snížení plynů v tavenině!!! MPL II 17 MPL II 18 3

4 Snížení obsahu plynů v Al slitinách vakuováním taveniny Je založeno na snížení tlaku atmosféry nad hladinou roztaveného kovu Tlak v odplyňovací komoře cca 5 kpa Snížení obsahu plynů v Al slitinách probubláváním taveniny aktivními či inertními plyny Je založeno na difúzi H do bublin s nulovým parciálním tlakem H s nimiž je vynášen na hladinu či s nimi chemicky reaguje MPL II 19 MPL II 20 Používané plyny: Inertní : dusík, argon Malá velikost bublin, dostatečná dráha (jejich tvoření u dna dostatečně vysoké pánve) a dobré promíchávání (homogenizace) taveniny jsou klíčové podmínky účinného odplynění. Používají se plyny o vysoké čistotě (např. dusík o čistotě 99,99 % z důvodů neobsahování vlhkosti) Aktivní: chlor, fluor (dříve i freony) Při odplyňování aktivními plyny se ruší modifikační účinek Na a Sr a může se výrazně snížit i obsah Mg. Proto je nutné modifikaci provádět až po odplynění. Stupeň odplynění je u aktivních plynů lepší oproti inertním. Naráží však na ekologické předpisy a je výrazně omezováno. Způsoby odplyňování Plyny se do taveniny dostávají : Rozkladem odplyňovacích solí V plynné formě Odplyňovací soli Sloučeniny, které se při teplotě cca 600 C rozkládají za vzniku plynného dusíku, případně chloru či fluoru. Soli se ponoří ke dnu tavícího kelímku pomocí ponorného zvonu. Pak se vyčká, až reakce dojde až na povrch hladiny a stáhne se struska. Formy soli : prášek, tablety či granulát MPL II 21 MPL II 22 Aplikace plynných prostředků se musí provádět, aby byl splněn základní předpoklad dobré účinnosti tj. co nejmenší velikosti bublin. Nosný plyn se vhání do taveniny pomocí: Odplyňovacích trubic grafitová, keramická trubka opatřená porézní zátkou používá se v malých slévárnách pro menší velikosti kelímků, trubice musí být umístěny tak, aby docházelo k promíchávání lázně. Rotorové zařízení pro odplyňování Firma FOSECO FDU (Foundry Degassing Unit) Porézních tvárnic ty jsou trvale zabudovány do vyzdívky ve dně tavící pece či speciální odplyňovací pánve. Přívod plynu je řešen zvnějšku. Trysky musí být nasměrovány tak, aby byl zajištěn pohyb taveniny. Rotorových zařízení - jsou to mobilní či stacionární zařízení, kde se plyn vhání do taveniny grafitovým rotorem. MPL II 23 MPL II 24 4

5 Očkování Al slitin Účel zjemnění primární fáze vnesením nukleačních zárodků. Očkováním se nemění intenzita ochlazování nemění se ani hodnota DAS účinek očkování na vlastnosti litin je menší než účinek rychlého chladnutí. Hodnota DAS (Dendrite Arm Spacing) závisí pouze na rychlosti chladnutí v intervalu tuhnutí čím kratší doba tuhnutí tím menší DAS. Hodnota DAS se používá pro popis dendritické struktury je to vzdálenost sekundárních os dendritů. n DAS = a. t f a konstanta závislá na slitině, n konstanta rozmezí od 0,3 do 0,5 t f místní doba tuhnutí MPL II 25 Očkování slitin Al Pro podeutektické slitiny se očkování provádí titanem (Ti) či kombinací Ti a bóru (B) vnášejí se do taveniny ve formě očkovacích solí (např. K 2 TiF 6, KBF 4 a dalších) či ve formě očkovacích tablet a nebo ve formě předslitin Al-Ti či Al-Ti-B Pro nadeutektické slitiny se očkování provádí fosforem (P) vnáší se do taveniny ve formě očkovací soli (např. PCl 5 ), či ve formě předslitin CuP10 nebo slitinou Ni-P (lze také použít červený fosfor) nukleačními zárodky jsou pouze částice fosfidu hlinitého AlP. Očkovací slitiny dodávají se v tyčích o určené hmotnosti (obvykle ø 10 mm a délka cca 500 mm zadává se počet tyčí na množství kovu Očkovací soli cca 1 % hmotnosti vsázky, zvonem se ponoří ke dnu MPL II 26 Vliv očkování na vlastnosti Al slitin Struktura slitiny AlSi7Mg Zjemnění zrna se projevuje: Snížením sklonu slitiny ke vzniku trhlin Zvýšením pevnosti a tažnosti Menší pórovitostí odlitků Zvýšením těsnosti odlitků Lepší obrobitelností Zlepšením kvality povrchu po anodické oxidaci Zvýšením vlastností po tepelném zpracování Neočkované Očkované 0,2 %Ti MPL II 27 MPL II 28 Struktura nadeutektické slitiny Al-Si Zvětšení 200x Neočkovaná Očkovaná 0,5 PCl 5 Modifikace Al slitin Modifikují se převážně pouze eutektické slitiny tj. rozmezí obsahu Si mezi 11,5 13 %. Jako modifikátorů se používá pouze sodíku (Na) či stroncia (Sr). Podobný účinek má i antimon (Sb) Modifikací se mírně zvyšují pevnostní vlastnosti, velmi výrazně však plastické vlastnosti tažnost a houževnatost. Např. modifikovaná slitina Al tažnost 8% a nemodifikovaná Al slitina 2-3%.!!!Ze strukturních složek se modifikace týká pouze eutektika!!! MPL II 29 MPL II 30 5

6 Modifikace sodíkem Na nejsilnější modifikační prvek pro získání plně modifikované struktury musí slitina obsahovat ppm Na. Využití Na je velmi nízké (10 20%) páry způsobují bouřlivý var- Odeznívání modifikace minut (max. 30 minut) Lze dosáhnout prodloužení modifikačního účinku v udržovacích pecích používají se tablety s pomalým rozpouštěním.!!! Modifikuje se vždy až po odplynění!!! z důvodů vysoké afinity Na k F a Cl MPL II 31 Modifikační prostředky s Na Kovový sodík z důvodů vysoké reaktivnosti dávkování ve vakuovaných patronách (obal z Al plechu) patrony se zvonem ponoří ke dnu a drží se až do konce reakce dávkování 0,05 0,1 % Na Modifikační soli směs chloridů a fluoridů (NaCl+KCl+NaF) dodávány v prášku či tabletách ponoří se zvonem ke dnu a nechávají se volně proplavat taveninou (5 10 minut) dávkování 0,8 1,0 % hmotnosti taveniny Exotermické modifikační tablety dnes nejpoužívanější využívají exotermický efekt způsobený hořením Mg třísek, z tablet se Na uvolňuje ve formě par využití Na cca 30% dávkování: Lití do kokil - 0,02 0,12 % Na Lití do písku - 0,1 0,2 % Na (pro tlakové lití se nepoužívá) MPL II 32 Modifikace stronciem Stroncium (Sr) lehký kov, T t =770 C - použití ve formě předslitin s Al obsah 3,5 10 % Sr Aplikace tyče Ø 10 mm délka 0,5 m dávkování počet tyčí na hmotnost taveniny Dávkování - účinek Sr slabší než účinek Na obvykle ppm Sr, u obsahu Si mezi % až 400 ppm Sr U Sr je třeba delší doby modifikace reakce není bouřlivá!!! Nehodí se používat pro silnostěnné odlitky lité do písku nedostatečný účinek!!! MPL II 33 Modifikace antimonem vzniká struktura s jemným lamelárním Si Sb se přidává do housek v hutích množství 0,1 0,3 %. Účinek modifikace je trvalý a neodeznívá.!!! Sb ruší účinek Na a Sr proto se nedoporučuje používat slitiny modifikované Na a Sb!!! Přemodifikování slitiny Překročení optimálního obsahu modifikátoru vyskytují se hrubé útvary křemíku na hranicích zrn Kontrola modifikace: Chemický rozbor Termická analýza Metoda kontroly elektrické vodivosti Elektrochemická metoda měření MPL II 34 Eutektikum Al Si zvětšení 200x Zrnité Lamelární Modifikované zvětšení 200x Eutektikum Al Si Modifikované zvětšení 800x MPL II 35 MPL II 36 6

7 Eutektikum Al Si zvětšení 200x Částečně modifikované Přemodifikované Kontrola taveniny Měření naplynění taveniny založeno na měření hustoty kovu metoda dvojího měření Kontrola chemického složení spektrometrie Termická analýza MPL II 37 MPL II 38 Metoda dvojího měření DI index hustoty Principem metody je porovnání hustoty vzorku slitiny, který ztuhl při atmosférickém tlaku se vzorkem, který ztuhl za podtlaku (vakuum 8kPa). Výpočet metody Objem vzorku: Hustota vzorku: vzh 2O H 2O m vzh2o hmotnost vzorku ponořeného ve vodě (kg) m vz at hmotnost vzorku na vzduchu (kg) ρ H2O hustota vody (kg.m -3 ) ρ vz hustota vzorku kovu (kg.m -3 ) V vz m = ρ m vzatm ρ vz = = Vvz m m vzatm vzh 2O.ρ H 2O Z hustot ρ vz atm a ρ vz vak se spočítá INDEX HUSTOTY (Dichte Index DI) ( ρvzatm ρvzvak ) DI. 100 = (%) ideální je do 4 % ρ vzatm MPL II 39 MPL II 40 Vsázka: Tavení slitin Al Housky slitin výrobky hutí nejdražší surovina, ale nejkvalitnější existují primární slitiny slitiny prvního tavení výroba hutnickým způsobem a sekundární slitiny výroba přetavením Al šrotu (obsahují více nečistot a přísadových prvků Vratný materiál vtoky, nálitky, zmetky Typy pecí pro tavení Al slitin Elektrické odporové kelímkové, komorové Plynové kelímkové, šachtové Elektrické kelímkové indukční nízkofrekvenční již velmi omezeně Nejpoužívanější rozsah je podíl % vratného materiálu, zbytek housky slitin. MPL II 41 MPL II 42 7

8 Šachtové pece a jejich princip Posuvné dveře zavážecího otvoru Horní kryt šachty Příklad vizualizace šachtové pece, přehled termočlánků Příklad vizualizace na Touch-screen obrazovce obecná kontrola stavu pece Předehřívaná vsázka Tavící hořáky Hořák udržovací komory Čistící dvířka tavící komory možnost odstranění ocelových zálitků r Odpichový ventil MPL II 43 Zjednodušený výkres vyzdívky Šachtové pece MPL II 44 Schéma tavení v šachtové peci Pece s malým výkonem - nesklopné Tavící komora je nad udržovací komorou Dosažení nejnižšího propalu: => krátká doba setrvání vsázky v přímém kontaktu s plamenem => maximální předehřev vsázky ihned po natavení sklouzává materiál do udržovací komory plamen se nedotýká vsázky Předehřívaná vsázka Tavící hořák - plamen se nedotýká housek Čistící otvor tavícího mostu Přechod taveniny z tavící do udržovací komory Odpadní spaliny 300 C Tavící most MPL II 45 Typ pece MH díky této konstrukci zabírá méně místa Detail odpichového ventilu MPL II 46 Pece s tavícím výkonem nad 1 tunu Al /h tavící komora je vedle komory udržovací Nižší hodnota DI a minimální vznik oxidů natavený materiál stéká do udržovací komory Díky banánu je možné tavit i během sklápění pece Vylévací žlab Tavící komora je nalepena na komoře udržovací Sklopné pece Laserové snímání šachty, vážící buňky, zavážení Laserový snímač zaplnění šachty Otvor komínové šachtě pro laserové paprsky Rám pro uložení 2 nosných bloků a hydraulického válce Uložení 4 vážících buněk Snazší čištění pece lepší přístup k tavícímu mostu MPL II 47 MPL II 48 8

9 Proč jsou šachtové pece tolik rozšířené 1 spotřeba energie pro tavení a ohřev na vylévací teplotu < 600 kwh / t Al (u kelímkových plynových pecí je uváděno kwh / t Al) ztráty kovu = (propal + stěry) při 50% vratu a 50% housek < 1,5 % finanční úspora na 1% ztráty kovu: 1000kg/h * 20h/den * 340 dnů / rok * 50 Kč/kg Al * 0,01 = Kč / rok vysoké využití tepla teplota odpadních spalin < 300 C kontinuální odběr materiálu ustálená tavenina je stále k dispozici v nastavené teplotě, která kolísá v rozmezí ±6 C snížení rizika exploze housek vyšší kvalita kovu nedochází k vycezování tvrdých vměstků ponořením housek do taveniny MPL II 49 Proč jsou šachtové pece tolik rozšířené 2 snadné čištění, možnost odstranění železných zálitků bez rizika zvýšení procenta železa v tavenině Snadná obsluha celého zařízení Snadná údržba Žádné problémy s ekologií a množstvím NO x ve spalinách Archivace a zpětná kontrola všech procesních dat množství nataveného a odebraného materiálu skutečná spotřeba plynu aktuální ztráty kovu (sledování zaváženého množství kovu, množství stěrů a nečistot při čištění pece MPL II 50 9