Metalurgie slitin Al

Transkript

1 Metalurgie slitin Al

2 Rozdělení slitin Al Al-Si siluminy Al-Cu duraly Al-Mg hydronalia(hydronaly) Al-Zn zinkové siluminy (nesprávně)

3 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 Al 2 Cu) lepší leštitelnost než Al-Si dále přídavek Ti, Mg, Mn, Ni(NiAl 3 ), Ag

4

5 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

6

7 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

8

9 Norma ČSN EN 1706 rozlišuje 29 druhů slitin Al-Si Proč Al-Si?...optimální mechanické a metalurgické vlastnosti...

10

11 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

12 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)

13

14 Podeutektické: nejpočetnější skupiny: AlSi2MgTi AlSi7Mg AlSi10Mg AlSi5Cu AlSi9Cu a jejich podskupiny ale náchylné k tvorbě trhlin za tepla

15 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)

16 Nadeutektické: nejsou zakotveny v normách záležitost specializovaných výrobců a specielních aplikací kluzné aplikace vyloučení primárních zrn Si

17 Další slitinové prvky -tvoří další intermetalické fáze -mohou mít negativní vliv legury: Si, Cu, Mn, Mg, Ni, Ti příměsi: Fe, Cr, Zn, Pb, Sn

18 Cu zlepšení mech. vlastností, obrobitelnosti, horší kor. chování, zpevňující fáze CuAl 2 Mg obecně zlepšuje vlastnosti slitiny, Mg 2 Si důležitá fáze pro vytvrzování Fe riziko zhoršení mech. vlastností tvorbou jehlic FeAl 3, FeNiAl 9, FeSiAl 5, Al 15 (FeMn) 3 Si 2 ) Mn zmírňuje neg. účinek Fe(0,5 obsahu Fe) Sn nečistota, způsobuje křehnutí Ni do 2% legurado komplexních slitin (potrojná žárupevnáfáze Al 3 Cu 2 Ni) Ti zpevňující, žárupevnost, očkovadlo Cr zvyšuje riziko tvorby kalových fází

19

20 AlSi9Cu3

21 AlSi10Mg

22 AlSi7Mg

23 AlSi9Cu3 sedimentovaná prim. fáze Al 15 Mn 3 Si 2

24 Příprava tekutého kovu vsázka: koupené slitiny(housky) požadovaného složení (40 50 ale až 100 %) vratný materiál (vtoky, zmetky)stejného složení!!! (až 0, běžně %) ale může být i jinak (šrot, třísky, )nutno však dobře řídit proces a hlídat chemické složení obecně pro všechny slitiny podobné

25 Pece pro tavení slitin Al-Si: plynové šachtové elektrické odporové plynové kelímkové indukční

26

27

28

29 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,

30 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

31 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

32 Ošetření taveniny taveninu ovlivníme metalurgickými procesy a činiteli: teplota doba prodlev rafinace očkování modifikace odplynění výrazný vliv na kavlitu odlitku!!!

33 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

34 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

35 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

36 Metalurgie slitin Al-Si Omezení vzniku vměstků či jejich odstranění Rafinace Odplynění Očkování, modifikace Tepelné zpracování Kontrola

37 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 + O 2 =>Al 2 O 3 v modifikaci γ) Makroskopické vměstky kompaktního tvaru Mikroskopické (jemné) částice rozložené místně či rovnoměrně Intermetalické fáze

38 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

39 rychlost oxidace závislá na teplotě největšívznik 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

40 Oxidická blána ve struktuře

41 Velké částice intermetalické fáze FeSiAl 5 vpodeutektickém siluminu

42 Rozsáhlý endogenní vměstek kopírující hranice dendritických zrn

43 Nekovové vměstky cizí částice vnesené do taveniny během tavení během zpracování během lití nalijí se do odlitku zhoršení kvality odlitků a možnosti následného zpracování

44 Vměstky ve slitinách Al-Si ovlivňují: Mechanické vlastnosti (= vruby, snížení nosného průřezu, koncentrace napětí) Slévárenské vlastnosti (překážky tečení, zaběhnutí, zavalení zejména blan Al 2 O 3 ) Obrobitelnost (tvrdé částice) Těsnost Povrchové úpravy (zhoršená možnost leštění, eloxování)

45 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

46 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?

47 Filtrace filtry tkaninové, keramické, kovová sítka cedítka keramická při přelévání z transportních pánví do udržovacích pecí přímo ve formách ve vtokovém systému

48

49

50 Naplynění u slitin Al je největší problém vodík rozpustný v Al skoková změna při TT z vlhkosti, ze vzduchu, z pece vázán na oxidy

51

52

53 Odplynění slitin Al-Si 97 % plynů v tavenině je H 2, dále vzduch, páry, spaliny,... Al+ 3H 2 O =>3H 2 + Al 2 O 3 Obvykle se obsah H 2 pohybuje od 0,2 do 0,8 cm 3 /100 g Al. Obsah H 2 závisí na : vsázkových surovinách (složení, vlhkost) druhu tavící pece (topné medium, vyzdívka,...) druhu a vlhkosti solí...

54 Vodíková bublina pokrytá vrstvou Al2O3

55 Porovnání plynové porezity a objemové porezity

56 H 2 lze odstranit: probubláváním inertních nebo aktivních plynů plynů rotační odplyňovače (FDU) odplyňovací trubky probublávacíkameny 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 H 2, ale zamezí se vzniku bublin čas, ale problém při opětovném zahřátí )

57

58 Rotační odplyňovač:

59

60

61 Probublávací kámen

62 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

63 Očkování: přídavkem předslitin, prvků primární krystaly Al α zejména u podeutektických do 7% Si (αje převážně) očkovadla Ti, B, Zr fáze Al-Ti-B, Al-Zr primární krystaly Si β u nadeutektických očkovadlo P( ppm)

64 Modifikace: přídavkem solí, předslitin, předmodifikovaná slitina ovlivnění krystalizace eutektika α + β u pod-a eutektických modifikační přísady Na, Sr, Sb(Ca, Ba, Te) Namax ppm, účinek časově závislý (max. 30 min.) (soli NaCl, NaF, kovové patrony, exotermické tablety) Srdo 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

65 zrnité lamelární modifikované

66 nemodifikovaný eut. křemík desky modifikovaný eut. Křemík tyčinky

67

68

69

70 Tepelné zpracování slitin Al-Si F litý stav 0 ž. na odstranění vn. pnutí nebo stabilizační žíhání T4 RŽ + vytvrzení za studena T5 umělé stárnutí bez HŽ, stabilizace tvaru a rozměrů (zlepšení obrobitelnosti, odstr. vn. pnutí) ºC/7-10 hod T6 komplexní tep. zprac., RŽ ( ºC/3-6 hod), rychlé ochlazení, precip. vytvrzení za tepla, ºC/3-5 hod T7 s přestárnutím T64 na max. houževnatost T61 na max. pevnost a tvrdost T71 přestárnutí do stabilizovaného stavu

71 Tepelné zpracování vytvrzování(zvýš. HB, Rp, Rm, sníž. A) podmínkou: rozpustnost přísady (Cu, Mg, Ni, Zn) fáze CuAl 2, Mg 2 Si, Ni 3 Al, MgZn 2 obsah přísady (dle solvu) T6 umělé stárnutí: rozp. žíhání + rychlé ochlazení, precipitace žíhání na snížení vnitřních pnutí u nevytvrzených stabilizace rozměrů C několik hodin, pomalé ochl. v peci

72 Kontrola účinku metalurgických procesů měření naplynění taveniny tzv. Dichte Index metoda dvojího vážení ( ρvzatm ρvzvak ) DI =. 100 ρ vzatm Dross Test, Stauber Pfeifer Test termická analýza na principu přechlazení posouzení primárního zrna posouzení účinku modifikace spektrometrie chemické složení

73 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

74 měření DI metodou dvojího vážení

75

76 termická analýza

77 12,5%