SLEDOVÁNÍ VLIVU TLAKU NA STRUKTURU VYSOKOTLAKÝCH ODLITKŮ MONITORING OF PRESSURE INFLUENCE ON THE HIGH PRESSURE DIE-CASTINGS STRUCTURE

Transkript

1 SLEDOVÁNÍ VLIVU TLAKU NA STRUKTURU VYSOKOTLAKÝCH ODLITKŮ MONITORING OF PRESSURE INFLUENCE ON THE HIGH PRESSURE DIE-CASTINGS STRUCTURE Iva Nováková a Martin Seidl b Iva Nová c a Technická Univerzita v Liberci, Hálkova 6, Liberec 1, iva.novakova@tul.cz b Technická Univerzita v Liberci, Hálkova 6, Liberec 1, martin.seidl@tul.cz c Technická Univerzita v Liberci, Hálkova 6, Liberec 1, iva.nova@tul.cz Abstrakt Příspěvek se zabývá sledováním vlivu tlaku na výslednou strukturu odlitků ze slitiny AlSi12(Cu při vysokotlakém lití. Na základě teoretického rozboru a specifik krystalizace při tlakovém lití byla vypracována metodika provádění a vyhodnocování experimentů. Byla hodnocena výsledná struktura a mechanické vlastnosti odlitků. Výsledkem těchto experimentů je stanovení závislosti velikosti zrn a mechanických vlastností na velikosti tlaku v tlakové licí komoře stroje. The paper deals with monitoring of a pressure influence on a structure AlSi12(Cu diecastings. On the basis of a pressure die-casting crystallization theoretical analysis was evolved the method of executing and evaluation of experiments. The result was final structure and mechanical properties of die-castings and the dependence between a grain size and mechanical properties and a pressure height in a die casting machine pressure chamber. 1. ÚVOD Rozvoj technologie vysokotlakého lití souvisí s rozvojem automobilového a elektrotechnického průmyslu, kde se uplatňují tenkostěnné, tvarově členité odlitky. Neustálé zvyšování kvalitativních požadavků (např. pevnosti v tahu, tažnosti, rozměrové přesnosti, čistoty povrchu, těsnosti atd. na tlakově lité díly vede k nutnosti dalšího výzkumu. Byla snaha optimalizovat technologické parametry samotného lití, modernizovat tlakové licí stroje, optimalizovat konstrukci formy, vyvinout nové separační a mazací přípravky. V současné době je pozornost věnována vlivu jednotlivých technologických parametrů na průběh krystalizace, resp. na sledování velikosti a tvaru krystalů, a tím i mechanických vlastností tlakově litých dílů. Na našem pracovišti Katedře strojírenské technologie (TU v Liberci je sledován vliv tlaku na výslednou strukturu odlitků ze slitiny AlSi12Cu(Fe. Byly provedeny experimenty, jejichž výsledkem je stanovení závislosti velikosti zrn a mechanických vlastností odlitků na velikosti tlaku v tlakové licí komoře stroje. 2. SPECIFIKA KRYSTALIZACE KOVŮ PŘI ZVÝŠENÉM TLAKU Krystalizace kovů a slitin je fázová přeměna, při níž z původně tekuté fáze vzniká fáze tuhá krystalického charakteru. Současně se během krystalizace uvolňuje latentní skupenské teplo. Z termodynamického hlediska je pro průběh krystalizace nutné určité podchlazení taveniny. Z energetické závislosti rozměru krystalizačního zárodku lze odvodit jeho kritickou 1

2 velikost r KR, která odpovídá maximální Gibbsově energii. Na základě matematického hlediska lze psát : G σ = 0 rkr = k.. sinϑ, r T (1.1 kde značí: r KR - kritickou velikost zárodku [m]; k - konstantu [1]; T - podchlazení = T KRt T KR ;[ C,K]. Při tlakovém lití má na kritickou velikost zárodku vliv jednak podchlazení taveniny vlivem vysoké akumulační schopnosti kovové formy a jednak tzv. atermické podchlazení (podchlazení důsledkem působení tlaku na krystalizující taveninu, ne teploty. Vliv tlaku na teplotu likvidu nebo solidu kovů a jejich slitin vyjadřuje Clausiova rovnice: dt T ( VL VS = 0 dp H, ( 1.2 Změna Gibbs. energie L, S kde značí: H 0 L,S - změnu entalpie při krystalizaci [J.mol -1 ]; (V L V S - rozdíl molových objemů v kapalném tuhém stavu [ m 3.mol -1 ]; T - teplotu [K]; dt/dp - diferenciální koeficient udávající změnu teploty krystalizace v závislosti na tlaku. Tato rovnice popisuje zvýšení teploty krystalizace odlévané slitiny účinkem tlaku jako důsledek zmenšení měrného objemu. Pro většinu kovů se rostoucím tlakem působícím na taveninu zvyšuje teplota likvidu i solidu odlévaného materiálu (V L >V S dt/dp > 0. Z termodynamických podmínek krystalizace při zvýšeném tlaku vyplývá, že vyšší tlak působící na krystalizující taveninu vede ke vzniku menšího kritického zárodku r KR a tím ke vzniku jemnozrnné krystalické struktury. Podle práce BORISOVA lze kritickou velikost zárodku stanovit podle vztahu [2]: 0 P 2. σ. M ( TL + TL rkr =, 0 P LKR. ρ.( T + TS (1.3 kde značí: M * - molovou hmotnost taveniny [kg.mol -1 ]; L KR - latentní krystalizační teplo [J.kg -1 ]; ρ 1 - hustota taveniny [kg.m -3 ]; 0 T L - teplota likvidu bez působení tlaku [ C,K]; P T L - zvýšení teploty likvidu při působení tlaku [ C,K]; T 0 - podchlazení bez působení tlaku [ C,K]; P T S - zvýšení teploty solidu při působení tlaku [ C,K]. r K1 r K2 p 1 p 2 p 1 >p 2 Velikost zárodku Obr.1 Závislost kritické velikosti krystalizačního zárodku na tlaku Fig. 1 Dependence of pressure on nucleus critical diameter Na obr. 1 je uveden vliv tlaku na kritickou velikost krystalizačního zárodku při použití dvou rozdílných tlaků. Z obrázku je zřejmé, že čím větší tlak působí na krystalizující taveninu, tím je kritická velikost zárodků menší. 2

3 3. EXPERIMENTÁLNÍ SLEDOVÁNÍ KRYSTALIZACE PŘI VYSOKOTLAKÉM LITÍ Prováděné experimenty jsou zaměřeny na sledování vlivu tlaku v licí komoře tlakového stroje na výslednou strukturu odlitků ze slitin typu Al-Si. Jejich cílem je nalézt souvislost mezi licím tlakem velikostí krystalů a tím i mechanických vlastností odlitků. Pro experimenty byl vybrán tenkostěnný odlitek tvaru víčka, viz obr.2, ze slitiny AlSi12(Cu, jejíž chemické složení je uvedeno v tabulce 1. Tabulka 1 Chemické složení slitiny AlSi12(Cu (EN AC Table 1 Chemical composition of AlSi12Cu alloy Chemické složení [hmot. %] Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Pb Sn 11,5 0,55 0,15 0,55 0,10-0,10 0,15 0,10 - Slitina byla tavena v plynové kelímkové peci, čištěna rafinační solí Foseco Coveral GR 2410 a odplyněna pomocí formovacího plynu N 2 -H 2 (80/20 % na odplyňovacím zařízení FDU Foseco. Slitina byla odlévána na tlakovém stroji CLH Vihorlat Snina s horizontální studenou licí komorou. Technologické parametry použitého tlakového stroje jsou uvedeny v tabulce 2. Slévárenská forma byla vyrobena z materiálu Dievar X35CrMoV5-2 od firmy Uddeholm, který je speciálně určen pro výrobu tvarových částí tlakových licích forem. Tabulka 2 Přehled základních parametrů tlakového stroje Table 2 Basic machine parameters Odlitek tenkostěnné víčko AlSi12Cu(Fe Druh tlakového stroje TOS TL5-630/700 Průměr tlakové komory [mm] 75 Specifický tlak na kov [MPa] 10 MPa, 120 MPa Rychlost pístu [m.s -1 ] 3,3 Doba tuhnutí odlitku [s] 3,5 Teplota odlévané taveniny [ C] 680 ± 5 o C Pracovní teplota líce formy po vyjmutí odlitku [ C] 230 C Označení nástřiku formy Klüber HP Počet odlitků ve formě 4 Obr.2 Odlitek s označením místa odběru vzorků pro metalografické hodnocení. Fig. 2 Places of metalographical specimens removal Obr. 3 Tlakový odlitek s místy odběru vzorků pro stanovení Rm a HB. Fig. 3 Areas of casting where samples for mechanical properties were cut out 3

4 Odlitky byly nality za působení dotlaku v licí komoře 10 MPa a 120 MPa. Metalografické hodnocení výsledné struktury odlitku bylo provedeno na světelném mikroskopu Nikon EPIPHOT 200 pomocí softwaru LUCIA. Vzorky pro mikroskopické pozorování byly připraveny běžným metalografickým způsobem a ke zvýraznění struktury byl použit 0,5% roztok kyseliny fluorovodíkové ve vodě. Příklady získané struktury jsou uvedeny na obr. 4 a 5. Obr. 4 Struktura odlitku tlak 10 MPa Fig. 4 Casting structure pressure 10 MPa Obr. 5 Struktura odlitku tlak 120 MPa Fig. 5 Casting structure pressure 120 MPa V závislosti na velikosti dotlaku byl u jednotlivých struktur hodnocen tzv. ekvivalentní průměr plochy primárně vyloučené α-fáze. Z výsledků vyplývá, že s rostoucím tlakem v licí komoře je struktura jemnozrnnější. Na uvedeném odlitku byly dále hodnoceny mechanické vlastnosti, mez pevnosti v tahu a tvrdost. Mez pevnosti v tahu byla měřena na zkušebních tělískách, které byly odebrány z plochy víka a tvrdost byla měřena na ploše víka jednak na straně u vtoku a jednak na straně proti vtoku, viz obr.3. Výsledky byly zpracovány graficky, viz obr.6 a obr. 7. Průměrná hodnota meze pevnosti v tahu Rm [MPa] Velikost dotlaku [MPa] Obr.6 Grafická závislost meze pevnosti v tahu na velikosti tlaku v licí komoře Fig. 6 Effect of pressure in shot sleeve on tensile strength 4

5 Průměrná hodnota tvrdosti Tvrdost [HB] , , , , Velikost dotlaku [MPa] oblast vtoku oblast proti vtoku série Obr.7 Grafická závislost tvrdosti na velikosti tlaku v licí komoře Fig. 7 Effect of pressure in shot sleeve on hardness 4. ZÁVĚR Při tlakovém lití má na kritickou velikost zárodku vliv nejen podchlazení způsobené vysokou akumulační schopností formy, ale i tzv. atermické podchlazení. Vzniklé termodynamické podmínky přispívají ke vzniku velkého množství jemných krystalizačních zárodků. U tenkostěnných odlitků, jako je odlitek používaný pro experiment, jehož tloušťka stěny je cca 1,6mm, se vytváří podmínky pro vznik jemnozrnné struktury, jak ukazuje obr. 3 a 4. Odlitky krystalizující za působení tlaku cca 120 MPa se vyznačují jemnozrnnou strukturou, v hodnocené stěně odlitku velikost primárně vyloučené α-fáze dosahuje ekvivalentního průměru cca 38,1µm. U odlitků krystalizujících za působení nižšího tlaku cca 10 MPa velikost primárně vyloučené α-fáze dosahuje ekvivalentního průměru cca 44,92µm. Ze stanovených hodnot pevnosti v tahu vyplývá, že se vzrůstajícím tlakem v licí komoře mírně vzrůstá i mez pevnosti v tahu. Z výsledků měření tvrdosti vyplývá, že vliv tlaku v licí komoře na tvrdost je pravděpodobně nevýznamný. Příspěvek vznikl s podporou MSM LITERATURA [1] GRÍGEROVÁ, T., KOŘENÝ, R., LUKÁČ, I. Zlievárenstvo neželezných kovov. 1. vyd. Bratislava: ALFA /Praha: SNTL, s [2] VILČKO, J., DZUGAS, P.: Liatie s tuhnutím pod tlakom odlitkov zo zliatin typu Al-Si -úvod do problematiky technológie výroby vysokokvalitných odliatkov (část I. Slévárenství, 1990, roč.xxxvii, č.12, s [3] SEIDL, M.: Sledování krystalizace odlitků litých pod tlakem. Diplomová práce, TU v Liberci [4] LIPINSKI, T.: Modification of AlSi12CuNiMg Alloy with a homogenouc modifier. Archives of foundry year 2005, vol.5, No.15, p