MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE BRNO 2017 Bc. JAN DOČEKAL

2 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy ANALÝZA VÝROBY ODLITKŮ ZE SLITIN HLINÍKU ODLÉVANÝCH DO KOKIL Diplomová práce Vedoucí práce: Ing. Jiří Votava, Ph.D. Vypracoval: Bc. Jan Dočekal Brno 2017

3 Strana pro zadání

4 Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem práci: Analýza výroby odlitků ze slitin hliníku odlévaných do kokil vypracoval samostatně a veškeré použité prameny a informace uvádím v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s 47b zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a o změně a doplnění dalších zákonů (zákon o vysokých školách), ve znění pozdějších předpisů, a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací. Jsem si vědom, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle 60 odst. 1 autorského zákona. Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity, a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to až do jejich skutečné výše. V Brně dne:.. podpis

5 PODĚKOVÁNÍ Tímto bych rád poděkoval zejména Ing. Radovanu Koplíkovi, CSc. za cenné připomínky a návrhy při tvorbě této práce, bez kterých bych se neobešel. Firmě Mood International a slévárně Kovolit Česká za umožnění měření odlitků, vstřícný přístup a poskytnutí měřidel. Také Bc. Janu Přikrylovi a Bc. Jiřímu Koplíkovi za pomoc při měření a v neposlední řadě Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D za lidský přístup k nastalým problémům a cenné připomínky při psaní práce.

6 ABSTRAKT Diplomová práce je rozdělena do dvou částí teoretické a experimentální. Teoretická část se zabývá popsáním slévárenství jako výrobní technologie, kdy je kladen důraz na gravitační lití. Dále je v teoretické části probrána problematika tepelného režimu formy, rozměrové stálosti a vad odlitků, kdy je tato problematika důležitá pro experimentální měření ve slévárně a jeho zhodnocení. Experimentální část přenáší poznatky z teoretické části do skutečnosti formou měření odlitků. Je zde uveden opis měřených odlitků a dále jsou hlavní části měření teplot formy a odlitku, měření rozměrů odlitků. Dále navazuje zhodnocení vad odlitku. Na závěru práce je provedena diskuze naměřených výsledku s jejich možnými příčinami a návrhy na další řešeni. Klíčová slova: gravitační lití, hliníkové slitiny, teplotní režim lití, rozměrová stálost, vady odlitků ABSTRACT The diploma thesis is divided into two parts - theoretical and experimental. The theoretical part deals with machining of foundry as a production technology, where emphasis is placed on gravity casting. Further the theoretical part deals with the problems of the thermal regime of mold, dimensional stability and defects of castings, where this issue is important for experimental measurement in the foundry and its evaluation. The experimental part transmits the findings from the theoretical part to reality by measuring castings. There is a description of the measured castings and the main parts of the temperature and casting temperature measurements, casting dimensions measurements. It follows the evaluation of casting defects. At the end of the work is discussed the measured results with their possible causes and suggestions for further solution. Keywords: gravity casting, aluminum alloys, casting temperature mode, dimensional stability, casting defects

7 OBSAH 1. ÚVOD CÍL PRÁCE SOUČASNÁ SLÉVÁRENSKÁ TECHNOLOGIE Přehled metod odlévání Progresivní metody odlévání Gravitační odlévání slitin hliníku do kovových forem Výhody lití do kovových forem: Nevýhody lití do kovových forem: Kovové formy (kokily) Požadavky na formy Licí stroj Materiály odlitků odlévaných z hliníkových slitin Slévárenské slitiny hliníku Al-Si - Siluminy Al-Mg - hydronalium Al-Cu Duralaluminium Teplotní režim kovové formy Teoretické základy Přenos tepla ve slévárenských formách součinitel tepelné vodivosti λ Součinitel přestupu tepla α Sdílení tepla ve formě mezi taveninou a pískovým jádrem Problematika rozměrové stálosti při odlévání slitin hliníku Rozdílná počáteční teplota kokily... 28

8 3.5.2 Skutečné lineární smrštění je odlišné od uvažované hodnoty Borcení odlitku Špatné vyčištění známky pro uložení jader Teplota a čas rozebírání formy Analýza rozměrových změn formy a odlitku Nejčastější vady odlitků Trhliny Nezaběhnutí a studené spoje Porezita a mikrostaženiny Vměstky Staženiny a řediny Znečištěniny VLASTNÍ PRÁCE Metodika práce obecně pracovní postup Požadavky na odlitky Odlitek ventil Materiál odlitku Odlitek skříň MĚŘENÍ TEPLOTY Odlitek Ventil kovová forma, kovové jádra Měření teplot vnější strany formy Měření teplot vnitřní strany formy a odlitku Dílčí hodnocení měření teplot odlitku ventilu Odlitek Skříň kovová forma, pískové jádro Měření teplot vnější strany formy Měření teplot vnitřní strany formy... 53

9 5.2.3 Měření teplot odlitku, vnitřní a vnější strany formy Dílčí hodnocení měření teplot odlitku ventilu MĚŘENÍ ROZMĚRŮ Měření rozměrů odlitku ventilu Měření rozměrů odlitku skříně Vyhodnocení naměřených hodnot VADY ODLITKU Výsledky kontroly vad DISKUZE ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ SEZNAM POUŽITÝCH TABULEK SEZNAM PŘÍLOH... 72

10 1. ÚVOD Slévárenství jako potenciálně nejekonomičtější způsob přeměny výchozí suroviny (slitin hliníku) v požadovaný produkt patří k tradičním průmyslovým oborům v České republice, které má uplatnění v celé řadě oborů, jako je automobilový průmysl, elektrotechnika, přístroje, zboží široké spotřeby a podobně. V tuzemsku bylo v roce 2016 vyrobeno 500 tisíc tun kvalitních odlitku.[4] Slévárenský obor od svého vzniku prošel dlouhým historickým vývojem, který započal odléváním kovu do kamenných forem před lety. Za tu dobu došlo k výrazným změnám na požadavky vlastností materiálů a jakost odlitků. Velký přelom nastal v období let př. n l., kdy začalo zpracovávání železné rudy. V letech cca 1000 př. n. l., tj. v době vlády krále Šalamouna dochází ke vzniku starověkých hutí na území dnešního státu Izrael. [4] K dalšímu velkému přelomu došlo na konci 19. Století, kdy se započalo se získáváním hliníku pomocí elektrolýzy, to vedlo k razantnímu rozvoji tohoto odvětví. Na přelomu 19. a 20. Století vznikla většina soudobých sléváren, které vznikaly v hutích, strojírenských a jiných závodech, u nichž výrobní program vyžadoval odlévaní odlitků. Největší rozvoj nastal během Druhé světové války a v následujících poválečných padesátých letech. V té době byly v Československé republice budovány nové závody, ve kterých se uplatňovala oborová specializace. [4], [7] Po pádu totalitních režimů za železnou oponou došlo v těchto oblastech, potažmo České republice k přechodu na tržní systém a začlenění do světové ekonomiky, která je vzájemně propojená, otevřená a probíhá ve velké konkurenci. Úspěchu dosáhnou jen ty podniky, které nabídnou jakostní výrobek s vysokou přesností, kvalitou povrchu a vnitřní jakostí v co nejkratším čase a za co nejnižší cenu. Tohoto lze dosáhnout neustálým technologickým vývojem výroby odlitku například za pomoci počítačové simulace lití a tuhnutí a její aplikací do slévárenské výroby. V boji s asijskou konkurencí dochází k přechodu sléváren na stále složitější výrobky, které jsou naše slévárny schopny vyrobit v mnohem lepších kvalitativních vlastnostech. Kvalitou odlitků jakožto nejdůležitějším aspektem výroby se zabývá i tato diplomová práce. [4] 10

11 2. CÍL PRÁCE Provést analýzu jakosti odlitků tj. přesnosti a vnitřní jakosti již vyráběných odlitků a navrhnout opatření pro odstranění vad a nepřesností odlitků. Na základě teoretického rozboru provést analýzu vlivů na vznik vad typu staženin a vlivů na přesnost odlitku. Pomocí experimentálního měření ve slévárně Kovolit Česká zjistit vlivy na jakost odlitků a to u dvou odlitků ze slitin hliníku v práci nazývaných jako skříň a ventil. Důvodem je porovnání vlivu dvou typů jader na výslednou jakost odlitků a rozměrovou stálost. Konkrétně jádra pískového použitého na odlitku skříně a jádra kovového použitého u odlitku ventilu. Naměřením teplotního režimu formy tj. teploty formy, jader a odlitku, zjistit vlivy na jakost odlitků a následným vyhodnocením tohoto režimu doporučit úpravu formy případně technologického procesu. Další část měření se zabývá měřením rozměrů těchto odlitku, respektive jejich smrštěním, na které má vliv zejména druh použitých jader a tvar odlitků. V praxi se užívá univerzálních smrštění, která jsou zavádějící. Cílem mé práce je definovat různé druhy smršťování a tím přispět ke zvýšené kvalitě výrobku a lepší ekonomice jejich výroby. 11

12 3. SOUČASNÁ SLÉVÁRENSKÁ TECHNOLOGIE Slévárenství reprezentuje potenciálně nejekonomičtější způsob přeměny výchozí suroviny v požadovaný produkt. Slévárenství spolu s hrnčířstvím a výrobou látek patřilo k prvním technologiím, které lidstvo ovládalo. V letých dějinách získávání kovů se změnily požadavky na vlastnosti materiálů i kvalitu výrobků. Velký přelom nastal v období asi 1500 let př. n. l., kdy se začala zpracovávat železná ruda. Další velký milník nastal na konci 19. Století, kdy se začal získávat hliník elektrolýzou, což započalo velký rozvoj této tradiční technologie. Začaly vznikat slévárny v hutích, strojírenských a jiných závodech, u kterých výrobní program vyžadoval výrobu odlitků. K největšímu rozmachu oboru došlo během Druhé světové války a následně v padesátých letech. [4], [7] Slévárenství by se dalo popsat jako technologie, jenž se zabývá jednak vlastním technologickým procesem výroby odlitků ze slitin kovů, tak i vlastnostmi základních i pomocných surovin, používaných pro tuto výrobu. Slévárenská technologie je v určité sféře užití velmi účinná cesta jak vyrobit strojní součást požadovaného tvaru a vlastností. Efektivnost a přednosti slévárenské technologie jsou ale na druhé straně kompenzovány relativně vysokou technologickou i organizační náročností celého procesu. [5] 3.1 Přehled metod odlévání Odlévání do pískových forem (jednorázových) z bentonitových směsí, nebo chemicky tvrzených směsí. Odlévání do keramických forem. Odlévání do kovových forem (gravitační, nízkotlaké, vysokotlaké a odstředivé lití.) Materiály: oceli - uhlíkové litiny - s lupínkovým grafitem - nízkolegované - s kuličkovým grafitem - vysokolegované - s vločkovým grafitem slitiny lehkých kovů - slitiny Al, Mg - slitiny těžkých kovů Cu, Sn, Zn [1] 12

13 3.1.1 Progresivní metody odlévání Pod tímto pojmem se rozumí všechny slévárenské technologie krom odlévání do pískových forem. Dříve označování jako speciální způsoby výroby odlitků. Jedná se primárně o produkci odlitků z neželezných kovů (bloky a hlavy spalovacích motorů, víka skříní a převodovek, písty, lopatky spalovacích turbín. Tyto metody jsou frekventovaně využívány v automobilovém průmyslu, zejména díky rostoucím požadavkům na nízkou hmotnost automobilů a tím pádem nízkou spotřebu paliva. Těmito technologiemi se vyrábí de facto odlitky libovolného tvaru z různých i těžkoobrobitelných slitin s vyšší produktivitou lití. Formy pro tyto technologie jsou vyrobeny speciálními způsoby jako formy netrvalé, polotrvalé, nebo trvalé (kovové). Mezi tyto technologie se řadí: [4], [7] Gravitační lití do kokil Vysokotlaké lití Nízkotlaké lití Odstředivé lití Lití s krystalizací pod tlakem (squeeze casting) Metody lití při polotuhém stavu Kontinuální a polokontinuální lití Elektrostruskové odlévání Odlévání v elektromagnetickém poli Tyto slévárenské technologie dovolují získat odlitky s vyšší rozměrovou přesností viz tabulka č. 1, kvalitnějším povrchem a velmi dobrými mechanickými vlastnostmi oproti klasickému odlévání do pískových forem. Z toho vychází i další značení těchto technologií jako přesné [4]. Tab. 1 Dosahované tolerance odlitků [4] Metody odlévání Dosahovaná tolerance u rozměrů odlitku mm Gravitační lití do kokil ± 0,2 až ± 0,3 mm Lití do pískových forem ± 1 až 2 mm Tlakové lití ±0,05 až 0,2 mm 13

14 3.2. Gravitační odlévání slitin hliníku do kovových forem Patří k poměrně snadným, ale produktivním způsobům výroby odlitků ze slitin Al. Proudění taveniny do dutiny formy probíhá pouze působením gravitačních sil a je usměrňováno vtokovým systémem tak, aby nedocházelo turbulentnímu proudění. Lze použít kovová i písková jádra, odlévání bývá prováděno na licích stacionárních strojích. [2], [6] Výhody lití do kovových forem: Výrazně se zvyšuje ochlazovací účinek slévárenské formy zvýšení hodnot mechanických vlastností Umožňuje dosáhnutí vysoké hladkosti povrchu odlitku, které je dána nejen hladkostí formy, ale také hladkostí vrstvy postřiku, který chrání formu a je nositelem konečné hladkosti povrchu odlitku Dosáhnutí vyšší přesnosti odlitku, snížení tolerancí rozměrů Snížení přídavků na mechanické obrábění Výhodné použití tepelně izolačních a exotermických oblaků nálitků Komplexní pracoviště lze automatizovat, k jedné udržovací peci se staví dva licí stroje, je možné i karuselové uspořádání celého pracoviště Lze očekávat snížení počtu vadných odlitků, nutno však dodržovat přesně technologický trakt celého výrobního procesu V případě použití kovových jader nebo výroby odlitků bez jader není nutno zařizovat úpravnu formovacích směsí a jadernu [3], [6], [11] Nevýhody lití do kovových forem: Není vhodné pro malosériovou produkci Návrh konstrukčního provedení vyžaduje větší rozsah přípravných prací, obvykle jde o speciální oddělení pro konstrukci kovových forem Vyhotovení kovových forem a jader je technicky i časově náročná práce, která se realizuje v kovomodelárnách a v nástrojárnách se špičkovým vybavením Kompletní finanční náklady na výrobu formy a jader musí být uhrazeny v ceně vyrobených odlitků. 14

15 Výroba se zpravidla realizuje ve speciálních slévárnách vybavených kokilovými licími stroji s veškerým příslušenství. Metoda je vhodná pro odlévání slitin s nižší licí teplotu (slitiny mědi, hliníku, hořčíku, zinku), lze také běžně odlévat všechny druhy litin, velmi málo se touto metodou odlévají odlitky z uhlíkových nebo legovaných ocelí. Je nutno počítat s tím, že kovová forma a kovová jádra kladou větší odpor při smršťování odlitku v době jeho tuhnutí a ochlazování. Kovová forma není prodyšná, a proto je otázka odvzdušnění formy velmi důležitá. [3], [6], [11] Kovové formy Jedná se o trvalé formy, do kterých je možno odlévat i několik desítek tisíc odlitků. Životnost formy je odvislá od druhu odlévané slitiny a matriálu formy. Například při lití hořčíkových odlitků malé hmotnosti (několik dkg) do ocelových kokil se dosahuje životnosti až odlitků, naopak při lití litinových odlitků hmotnosti přes 1 tunu do litinových kokil je životnost 5000 odlitků. Trvanlivost kovových forem je ovlivněna: [5] Hmotností odlitku Materiálem odlitku Tvarem odlitku Tloušťkou stěn a složitostí konstrukce odlitku Způsobem zpracování formy Způsobem ochrany líce formy Obr. 1 Schéma formy [13] 15

16 Hendikepem kovových forem je nepoddajnost a tuhost při stahování a lineární smršťování odlitku a také značné náklady na výrobu kovové formy oproti nákladům na výrobu pískových forem. [4], [11] Dutiny odlitku jsou vytvářeny jádry z oceli, anebo pískovými jádry viz obr. č 1. Druh jader má významný vliv na rozměry odlitku a vnitřní jakost. Kovové formy pro gravitační lití se vyrábějí třískovým obráběním z ocelových, nebo litinových polotovarů. Dnes již u nás existují závody, které vyrábí kovové formy na zakázku např. Mood International v Moravanech. Formy mohou být obdařeny kovovými, nebo pískovými jádry. Kovová jádra se používají pro svoji jednoduchost a trvanlivost, nevýhodou je omezený tvar, aby jádro mohlo být jednoduchý způsobem vytaženo. Písková jádra jsou vyráběna z chemicky tvrzených směsí pro dosažení dobrých rozměrů. Výhodou je možnost velmi složitých tvarů jader a fyzikálně chemické vlastnosti pískového jádra při tuhnutí odlitku, což má významný vliv na vnitřní jakost odlitku. [2], [7] Požadavky na formy Tavenina by měla protékat vtokovou soustavou, resp. dutinou formy nejlépe bez vířivého proudění, aby se zabránilo vzniku oxidů hliníku a tím vzniku vnitřních vad odlitku jako jsou vměstky, řediny apod. Vtokový systém by měl být navržen tak, aby byl co nejdříve zaplněn a nedocházelo k nasávání vzduchu do formy Zároveň je požadováno snadné oddělení vtokové soustavy při apretaci Vtoková soustava by měla zachytit strusku a další nečistoty, aby se nedostaly do odlitku. U náročných odlitků (odlitek ventilu v této práci) je na vtokovou soustavu přikládán filtr. Vtoková jamka by měla být rozšířena na začátku tak, aby se veškerý kov z licí pánve dostal do dutiny formy bez rozstřiků a přelitků. Vyžadováno je co nejrychlejší zaplnění licího kůlu. K zamezení staženin je nutno uvažovat s nálitky, ty se tvoří na vrchní části formy, tak aby mohli doplňovat tekutý kov do místa větší koncentrace materiálu ve formě. [4], [5], [8] 16

17 3.2.4 Licí stroj Slévárenský provoz vytváří na konstrukci stroje velké nároky. Licí stroj musí být tuhý, konstrukčně bezpečný a nenáročný na obsluhu a údržbu. Základem stroje bývá deska z tvárné litiny, na které jsou připevněny polohovatelné nosníky s hydraulickými válci pro základní tahy [4] hydraulický pohyblivý formy díl stabilní díl formy válec rám stroje Obr. 2 Schéma kokilového licího stroje [8] Stroj musí umožňovat mechanické otevíraní a uzavírání formy Mechanické uzavírání a otevírání formy včetně samočinného, popřípadě hydraulicky ovládaného uvolňování odlitku z formy; v uzavřeném stavu musí být forma hydraulicky uzamčena, aby nedošlo k vytvoření výronků v dělící rovině, nebo vytečení taveniny. Možnost používat písková jádra, nebo samostatně ovládaná kovová jádra (hydraulickými tahači). Bezpečné nalévání taveniny do pomocné licí jamky na formě. Umístění pomocných plynových hořáků, nebo elektrických topných těles do formy pro předehřev formy a udržení stabilního teplotního režimu. Chlazení vybraných částí formy (vzduch, voda) pro udržení požadovaného tepelného režimu formy. (Měření teploty formy (termočlánky) v kritických místech.) Stroj musí být konstrukčně bezpečný, tuhý, vhodný pro náročný slévárenský provoz s minimálními nároky na obsluhu. [4], [5], [8] 17

18 3.3 Materiály odlitků odlévaných z hliníkových slitin Hliník je v přírodě jedním z nejvíce se vyskytujících kovů. V kůře planety Země je obsaženo cca 8 % hliníku, vázaného ve sloučeninách jako kaolin, bauxit, kryolit, spinely atd. Primární surovinou pro výrobu hliníku je bauxit. Bauxit je hydratovaný oxid hlinitý, s obsahem oxidu železa, křemíku a titanu, v němž Al 2 O 3 bývá asi 50 %. Z bauxitu se hliník získává elektrolýzou roztoku Al 2 O 3 v roztavených fluoridech. Celý výrobní proces je relativně složitý. Produkce hliníku z prvotních surovin je energeticky velmi náročná. K výrobě 1 t hliníku se spotřebuje asi 4 t bauxitu což představuje cca 14 MWh elektrické energie. Získaný hliník mý vysokou čistotu až 99,9 %. [4], [8] Slévárenské slitiny hliníku Jelikož jsou vlastnosti čistého hliníku z konstrukčního hlediska zcela nevyhovující, tak se pro výrobu odlitků zásadně používají slitiny tohoto materiálu. Přísadové prvky zlepšují mechanické a technologické vlastnosti. Kombinací přísadových prvků a jejich množstvím jsou pak dány výsledné vlastnosti. [6], [8] základní prvek hlavní přísadový prvek vedlejší přísadové prvky doprovodné prvky Základní prvek Jedná se o prvek, který definuje druh slitiny. V tomto případě to je hliník. Hlavní přísadové prvky Prvky, které určují vlastnosti slitiny. Hlavní přísadové prvky a základní prvky definují druh slitiny. Jejich obsah obyčejně bývá po základním prvku druhý nejvyšší. Nejdůležitějšími přísadovými prvky ve slévárenských slitinách hliníku jsou křemík, měď a hořčík, spíše ojediněle také zinek nebo mangan. Podle nich se slitiny hliníku dělí na základní druhy s obvyklými názvy: [8], [9] slitiny Al Si - silumin slitiny Al Mg - hydronalium slitiny Al Cu - duralaluminium 18

19 Vedlejší přísadové prvky Chemické prvky, které kladně ovlivňují některé vlastnosti daného druhu slitiny např. vylepšují mechanické vlastnosti, zlepšují obrobitelnost, ovlivňují strukturu kovu, jsou důležité z hlediska tepelného zpracování, nebo eliminují nežádoucí efekt některých doprovodných prvků. Obsah sekundárních přísadových elementů je obvykle nižší, než obsah primárního přísadového elementu (prvku). Vedlejších prvků může být ve slitině současně více. Prvek, jenž nejvýznamněji ovlivňuje slitiny určitého typu, rozděluje slitiny do skupin, např. u siluminů to mohou být skupiny Al-Si-Cu, Al-Si-Mg apod. [8], [9] Doprovodné prvky Tyto prvky nejsou ve slitině cíleně. Při překročení určité koncentrace často degradují mechanické, chemické nebo technologické vlastnosti slitiny a jsou pak považovány za nečistoty. Působí tak, že buď neblaze ovlivňují vlastnosti základního kovu, v němž jsou rozpuštěny, nebo tvoří vlastní fáze, které mají nepříznivý vliv na vlastnosti slitiny. Obsah doprovodných prvků bývá limitován jejich maximálně dovoleným obsahem. [8] Al-Si - Siluminy Patří k nejvýznamnějším slitinám. Nejlepší Slévárenské vlastnosti mají siluminy s eutektickým složením. Slévárenské slitiny hliníku s obsahem křemíku 2-30%, nejčastěji však 5-13,5% a dalšími dodatečnými prvky jako měď, hořčík, mangan, nikl a titan. Jsou odolné proti korozi, mají dobrou zabíhavost a malý sklon k tvorbě trhlin za tepla. Důvodem pro používání je tvrdost primárního křemíku, který těmto slitinám dodává vysokou odolnost proti opotřebení a asi o 15 % menší součinitel tepelné roztažnosti. Největší vliv na zvýšení pevnosti mají přísady Mg a Cu. Tyto slitiny lze vytvrzovat. Typickými výrobky jsou písty do spalovacích motorů, hlavy válců, kompresory, pumpy a součásti brzdových systémů a i oba odlitky měřené v této práci. [5], [12] Křemík má v hliníku jen velice limitovanou rozpustnost viz obr.3. Při eutektické teplotě je rozpustnost jenom 1,6 % Si a při snížení teploty se dále zmenšuje např. při teplotě 300 o C je rozpustnost pouze cca 0,22 %. Eutektická koncentrace křemíku je 12,5 %Si. Podle obsahu křemíku se siluminy dělí na: [8], [10] 19

20 podeutektické (7-11 % Si) eutektické (11,5-13 % Si) nadeutektické (14-17 % Si) Obr. 3 Rovnovážný diagram Al Si [8] Al-Mg - hydronalium Druh těchto slitin má nejvyšší měrnou pevnost a rázovou houževnatost v porovnání s jinými slitinami Al. Tyto slitiny se používají pro nádrže, palivová a olejová potrubí, kryty motoru, vstupní kužely do motorů, záslepky, víčka a jiné středně namáhané součásti. Obsah hořčíku u těchto slitin bývá 1 % až 6 %. Pro zlepšení vlastností těchto slitin se používají přísady jako mangan, chrom, titan a vanad o celkovém obsahu 0,25 1 %. Vytvrzování není možné, u slitin s obsahem Mg 5 6 % se často zpevňují tvářením. Enormní naplynění a oxidace při tavení, odlévání a krystalizaci zapříčiňují horší slévárenské vlastnosti a z toho plynoucí větší pórovitosti a nižší těsnosti odlitků.[8], [9], [5] Al-Cu - Duralaluminium Obsah mědi bývá cca 4 5 %, pevnostní vlastnosti se dají navyšovat tepelným zpracováním těchto slitin. Lze se setkat i se slitinami o obsahu mědi 9 11 %. Tyto slitiny mají dobré pevnostní vlastnosti za vyšších teplot (350 až 450 C) a také se vyznačují 20

21 velkou odolností vůči otěru. Tyto vlastnosti se zlepšují přidáváním Ni a Mg. Na rozdíl od slitin Al-Si však mají relativně široký interval krystalizace (90 až 100 C), to způsobuje horší slévárenské vlastnosti, v prvé řadě menší zabíhavost, vetší sklon k tvorbě trhlin za tepla při tuhnutí odlitku a k mikropórovitosti. Další nevýhodou je špatná korozivzdornost. Použití je hojné v automobilovém a leteckém průmyslu, zejména na plechy, dráty, tyče a trubky. [6], [8] 3.4 Teplotní režim kovové formy Pod tímto pojmem je zahrnut jeden ze základních faktorů kvalitních odlitků. Teplotní režim formy je dán: Teplotou taveniny a jejím odlitým množstvím, výší teploty v jednotlivých místech formy a dynamikou změny teploty v klíčových místech formy. Stabilitou teplotních dějů. Teplotní režim formy má vliv na: Systém proudění, tuhnutí a smršťování taveniny. Vnitřní jakost odlitků (staženiny, řediny, vměstky). Rozměry odlitků. Pro dosažení stabilních vlastností je nutné zajistit i stabilitu teplotního režimu formy. Základní schéma teplotního zobrazuje obrázek č. 4. Obr. 4 Schéma teplotního režimu odlévání Rovnovážná teplotní rovnice: Q T + Q F1 = Q O + Q P + Q V + Q F2 Q T = Q t + Q s = teplotní obsah taveniny Q s skupenské teplo 21

22 Q F1 Q O Q P Q V Q F2 teplo předehřáté formy tepelný obsah odlitku při vyjmutí z formy teplo odebrané povrchem formy prouděním teplo odvedené povrchem formy sáláním zbytkové teplo formy po vyjmutí odlitku Teoretické základy Průběhu teplot ve formě od lití odlitku až po jeho ztuhnutí se věnovala celá řada teoretických pracovníků, protože je to základní fyzikálně metalografický proces při výrobě odlitku. Nově a souhrnně se tomuto problému věnovala v poslední době Prof. Ing. Iva Nová, CSc. V projektu TECHNOMAT který byl spolufinancován evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR. [15] Přenos tepla ve slévárenských formách Průběh teplot ve formě můžeme rozdělit na 3 oblasti: Průběh teploty v odlitku odlití, tuhnutí a chladnutí. Průběh teploty v kovové formě případně v pískovém jádře. Ochlazování formy prouděním vzduchu kolem formy a sáláním formy. Teplotní poměry v soustavě tavenina forma závisí na tepelně fyzikálních vlastnostech formy a odlévaném materiálu. Jednou z rozhodujících vlastností formy je schopnost akumulovat a odvádět teplo z taveniny a následně po ztuhnutí i z odlitku. Forma je jedním z rozhodujících faktorů vlastností budoucího odlitku, to znamená že určuje nejen tvar, rozměry, krystalickou strukturu a také vlastnosti materiálu odlitku a jejich vnitřní jakost, rozhodujícím procesem při utváření odlitku ve slévárenské formě je tedy přenos tepelné energie mezi odlitkem a slévárenskou formou, pro jednoduchost budeme tepelnou energii nazývat teplem. V případě kovových forem pak teplota formy je významným způsobem ovlivněna ochlazováním formy a to jak prouděním vzduchu po povrchu formy, tak i sáláním tepla z povrchu formy do okolí. Tepelný proces tavenina forma můžeme tedy rozdělit na následující fáze a postupy: Přenos tepla v tekutém kovu. Přenos tepla z taveniny do slévárenské formy. 22

23 Uvolnění skupenského tepla při tuhnutí a případně i při fázových přeměnách probíhají-li při tuhnutí odlitku. Přestup tepla mezi odlitkem a formou. Vedení tepla tuhým kovem a to jak u odlitku, tak u formy Přestup tepla z formy do okolí prouděním a sáláním. Sálání tepla otevřenými nálitky. Z hlediska obecného pohledu na tepelné děje v procesu tavenina slévárenská forma okolí k výměně dochází: Vedením (kondukcí) Prouděním (konvekcí) Sáláním (radiací) Z fyzikálního hlediska při sdílení tepla vedením dochází k přenosu tepla od částice k částici jejich přímým stykem. Vedením se teplo šíří především v tuhé fázi tj. v odlitku a ve slévárenské formě. V roztavené tavenině se přenos tepla šíří vedením pouze ve zvláštním případě tj. teplo je převáděno mezi fázovým rozhraním a hlavním proudem pohybující se taveniny a to v hraniční vrstvě a pohybem větších shluků molekul převádějící teplo do vzdálenějších míst. (v naší práci se tímto problémem přenosu tepla nebudeme zabývat). Přenos tepla prouděním se uplatňuje při přenosu tepla ve slévárenské formě. Přenos tepla sáláním je šíření energie formou elektromagnetického vlnění a tepelná energie se přeměňuje v energii sálavou. Ve skutečnosti nevznikají jednotlivé druhy sdílení tepla izolovaně, ale kombinovaně a pro zjednodušení i v teoretických pracích jsou sledovány především převládající děje. Rozhodující etapou je tuhnutí odlitku tj. časový úsek chladnutí taveniny, kdy slévárenská forma naakumuluje z odlitku určité množství tepla, které vyvolá podchlazení taveniny a počátek tuhnutí na líci formy. Následně postupuje s dalším ochlazováním taveniny k nárůstu ztuhlé vrstvy až k přeměně celé tekuté fáze v tuhou až do tepelné osy odlitku, která ztuhne poslední. Při tom dochází ke smršťování taveniny a vzniku mikroředin a ředin, současně v průběhu chladnutí taveniny dochází k segregaci vměstků. Vnitřní jakost odlitku je tedy významným způsobem ovlivněna odvodem tepla formou při tuhnutí odlitku. Pro dosažení zdravého odlitku je tedy důležité uspořádání teplotního režimu odlitku tak aby poslední tekutý kov ztuhl až v nálitku je tedy snahou dosáh- 23

24 nout usměrněného tuhnutí a to je významným způsobem ovlivněno rozložením hmoty odlitku a především ochlazováním odlitku formou. Ovlivňování průběhu tuhnutí odlitku formou je tedy základním technologickým procesem výroby odlitků s požadovanou vnitřní jakostí. [15] Základní tepelné poměry mezi odlitkem a formou lze vyjádřit z tepelné rovnováhy: dq O = dq PR = dq F dq O dq PR dq F přírůstek tepla uvolněného při tuhnutí odlitku přírůstek tepla prošlého rozhraním odlitek forma přírůstek tepelné energie, kterou akumuluje forma Celkové množství tepla uvolněné odlitkem je dáno vztahem: Q O = m K [c L (T l - T L ) + L KR + c S (T s - T KO )] m K c L c S T l T L hmotnost kovu měrná tepelná kapacita taveniny měrná tepelná kapacita ztuhlé taveniny teplota lití teplota počátku tuhnutí T KO konečná teplota odlitku [15] Tab. 2 Tepelné hodnoty vybraných slévárenských materiálů [16] Materiál Krystalizační teplo [J kg -1 ] Měrná tepelná kapacita [J kg -1 K -1 ] Čistý hliník 99,98 % ,5 896 Slitina AlSi Slitina AlSi9Cu Slitina AlSi Čisté olovo Čistá měď Mosaz (40 % Zn) Ocel (měkká) Ocel (1,2 % C) Litina (LLG) ,2 540 Čistý cín Čistý zinek c L c S 24

25 Z tabulky č. 2 je zřejmé, že krystalizační teplo a měrná tepelná kapacita c L a c S je rozdílná podle druhu materiálu. Tyto hodnoty lze použít jak pro uvolnění tepla při tuhnutí tak i při vedení tepla ve formě. Zákonitostmi při tuhnutí odlitku ve slévárenských formách se zabýval Vetiška, Carslaw a Lightfoot. Celkově lze tuhnutí odlitku rozdělit do 4 skupin. Matematické řešení rychlosti tuhnutí odlitků. Pomocí aproximativních metod. Experimentální zjišťování průběhu tuhnutí. Metody modelové techniky Ve formě je sdílení tepla dáno vedením a je závislé na druhu materiálu formy, teplotním spádu a tloušťce formy. Pro dosažení potřebného odvádění tepla tj. k ochlazování odlitku lze tedy využít druh materiálu (i místních vložek z jiného materiálu, než je základní materiál formy), různé tloušťky materiálu a intenzity ochlazování povrchu. Měrná tepelná kapacita kovových materiálů v závislosti na teplotě a c. [15] Tab. 3 Měrná tepelná kapacita v závislosti na teplotě pro různé materiály [15] Teplota [ C] LLG (ČSN ) c [J kg -1 K -1 ] Ocel (0,45 % C) c [J kg -1 K -1 ] Měď c [J kg -1 K -1 ] Bronz c [J kg -1 K -1 ] Křemenné ostřivo c [J kg -1 K -1 ]

26 součinitel tepelné vodivosti λ Pro dynamiku stanovení sdílení tepla. Součinitel tepelné vodivosti λ je fyzikálně tepelnou veličinou materiálu, který udává množství tepla, které projde za určitý časový okamžik jednotkou délky materiálu a vytvoří rozdíl teplot 1 K. Charakterizuje vedení tepla látkou ve směru teplotního gradientu. Hustota teplotního toku je úměrná teplotnímu spádu, konstanta úměrnosti představuje tepelnou vodivost a je závislá na druhu materiálu jeho hmotě, struktuře, případně vlhkosti. Tepelná vodivost většiny látek je závislá na teplotě. λ = λ o (l+bt) λ o tepelná vodivost při teplotě 0 C b T konstanta teplota Tab. 4 Hodnoty tepelné vodivosti na teplotě pro různé materiály [17] Teplota [ C] LLG (ČSN ) λ [W m -1 K -1 ] Ocel (0,1 % C) λ [W m -1 K -1 ] Součinitel přestupu tepla α Je mírou intenzity přestupu tepla z teplejšího do chladnějšího prostředí a charakterizuje sdílení tepla prouděním (konvekcí) kdy se teplo sdílí pohybem makroskopických částic látky, především tekutin (kapalin a plynů) pro výpočet přestupu tepla ze stěny do tekutiny a naopak Součinitel přestup tepla alfa závisí na veličinách, které určují fyzikální vlastnosti tj. druh proudění, stav tekutiny a tvar stěn. Teoretické určení je velmi obtížné a proto se používá pro jeho určení měření a stanovení emperických stavů, nebo bezrozměrných čísel. 26

27 Tab. 5 Přibližné hodnoty součinitele přestupu tepla α pro různé látky [16] Látka Součinitel přestupu tepla α [W m -2 K -1 ] Plyny při přirozené konvence 6 až 35 Klidný vzduch 3 až 10 Ohřívání a ochlazování vzduchu 1 až 60 Plyny proudící v trubkách nebo kolem nich 10 až 140 Proudící kapalina 200 až 5000 Vroucí kapalina 4000 až 6000 Ohřívání a ochlazování olejů 6 až 1700 Ohřívání a ochlazování klidné vody 600 Voda při přirozené konvekci 100 až 1000 Voda při nucené konvekci 600 až Vroucí voda 1000 až Tepelná vodivost jádrových směsí je určena druhem ostřiva a pórovitostí tj. zrnitostí, druhem ostřiva, hustotou spěchování a závisí na teplotě. Tepelná vodivost převládá u pískových směsí do teploty C. Při teplotách nad touto teplotou převládá přenos tepla prouděním a při teplotách nad 600 C převládá sálání. Změnu odváděného tepla formou můžeme tedy i měnit přídavným ohřevem hmoty formy (např. elektrickým topným tělesem) anebo naopak chladícími kanály s proudícím chladícím mediem. Teplota povrchu odlitků má zásadní vliv na množství odvedeného tepla z formy a tedy i odlitku. Odvod tepla povrchem odlitku lze tedy ovlivňovat jeho ochlazováním ofukem proudícího vzduchu a snižováním jeho teploty, což ovlivňuje i množství tepla odvedeného sáláním Sdílení tepla ve formě mezi taveninou a pískovým jádrem Přenos tepla mezi taveninou a jádrem je dán především tepelnou vodivostí jádrové směsi. Jádro je tvořeno křemennými zrny obalenými pojivem a vzduchovými dutinami mezi zrny ostřiva. Přenos tepla tedy závisí jak na druhu ostřiva, tak na jeho zhutnění. Přenost tepla je složitým a kombinovaným dějem mezi kondukcí, konvekcí a sáláním. Maximální účinky těchto dějů převládají v různém rozsahu teplot takto: Do teplo 200 C (300 C) převládá přenos tepla vedením Od C je účinné proudění tepla Při vyšších teplotách nad 600 C převládá sálání 27

28 3.5 Problematika rozměrové stálosti při odlévání slitin hliníku Problematika je následující: forma je vyrobena při cca 20 C, provozní teplota kokily bývá cca 350 C a po nalití slitiny o teplotě cca 750 C se teplota ještě navýší, dochází tedy k teplotní dilataci (o cca 0,444 % - materiál ČSN EN ), samotná forma je vyráběna o 0,8 % větší kvůli smršťování hliníku při chladnutí - záleží na poznatcích slévárny, tvarových a rozměrových parametrech (koeficient používaný ve slévárně Kovolit Česká je 0,8 naproti tomu slévárna v Postřelmově odlévající odlitky jiných parametrů používá koeficient 0,6). Je tedy poměrně obtížné dosáhnout požadovaných rozměrů po zchladnutí odlitku. Při tuhnutí se jinak smršťuje odlitek (v našem případě slitina Al) a jinak pracuje ocelová forma. Rozdíly smrštivosti odlitku a tepelná dilatace formy způsobují zpravidla brždění smršťování odlitku a tím jeho deformaci. Významný vliv na smrštění odlitků mají kovová jádra anebo výstupky ve formě podobného charakteru. Dalším důležitým činitelem je doba, ve které je odlitek vyjmut z formy. Po vyjmutí odlitku z formy tento odlitek již volně chladne a tedy i rozměry odlitku odpovídají volnému smršťování. Pokud je kovová forma vyrobena s požadovanou přesností, vznikají rozměrové a tvarové odchylky odlitků zejména z následujících příčin: Rozdílná počáteční teplota kokily Materiálem na výrobu kokil bývají obvykle oceli, nebo slitiny, jejichž součinitel délkové roztažnosti je roven přibližně α= K -1. Při odchylce skutečné počáteční teploty kokily od hodnoty uvažované při konstrukci, vznikají odchylky lineárních rozměrů. Při rozdílu teplot o 100 K je diference 0,12-0,14 %. [10] Obr. 5 Teplotní dilatace kokily [10] 28

29 3.5.2 Skutečné lineární smrštění je odlišné od uvažované hodnoty Při volném smršťování mají hliníkové slitiny smrštění v tuhém stavu přibližně 1,1 1,5 %. Příčinou odlišné míry smrštění je tuhá konstrukce odlitku, nebo bržděné smrštění způsobené tuhostí formy nebo jader. Hodnoty těchto odchylek závisí na tvaru a konstrukci konkrétního odlitku a není možné je předpovědět s obecnou platností. [10] Obr. 6 Smrštění odlitku [10] Borcení odlitku Je zapříčiněno nerovnoměrnou rychlostí ochlazování odlitku v jeho různých částech. Velikost deformací je odvislá na nestejnorodosti teplotního pole odlitku a na tuhosti jeho konstrukce. Obecně však platí, že tvarové deformace souvisí v opačném smyslu s velikostí vnitřních pnutí ve tvarově tuhých odlitcích vznikají sice malé deformace, avšak vysoká vnitřní pnutí a naopak. [10] Obr. 7 Tvarové uměny odlitku [10] Špatné vyčištění známky pro uložení jader Vzhledem k obvyklé zrnitosti ostřiva jádrových směsí 0,2 0,3 mm způsobují zbytky písku ve známkách, vzhledem k nepoddajnosti kovové formy, minimálně tuto rozměrovou odchylku. [10] 29

30 3.5.5 Teplota a čas rozebírání formy Na výsledné smrštění má podstatný vliv moment rozevření formy, pokud se forma rozevře brzo, může dojít k zborcení odlitku, jelikož bude ještě plastický. Pokud dojde k rozevření pozdě, bude smršťování brždění brzděno déle než je nezbytně nutné a může dojít k prasklinám na odlitku, nebo nepůjde rozevřít forma, či vytáhnout jádra. Pozdní rozevření povede také ke vzniku většího vnitřního pnutí v odlitku, což může vést k jeho prasknutí v budoucnu. V praxi se vyjímání odlitku z dutiny formy řídí časem, který je odzkoušený a odpovídá požadované teplotě. Významnou roli zde hraje simulace lití, dle které lze určit teplotu rozevírání formy. Obr. 8 Tvarové uměny odlitku Analýza rozměrových změn formy a odlitku K lepšímu pochopení problematiky rozměrů při odlívaní je na obr č. 9 uvedena analýza rozměrových diferenci formy a odlitku při konstrukci formy, výroby formy, ohřevu formy, lití, tuhnutí a chlazení, vyjímání odlitku a vychlazení na teplotu okolí. Analýzu rozměrů formy a odlitku lze využít pro kalkulaci potřebných rozměrů formy při její výrobě. V současné praxi je obvyklé, že tyto teplotní průběhy nejsou respektovány a při výrobě formy se používá univerzální korekce smrštění. Ignorování těchto teplotních rozdílů a z toho vyplívajících změn rozměrů formy zapříčiňuje rozdíly ve výrobě odlitků, které je nutno korigovat opravou již vyrobených forem. Opravy formy jsou nákladné a někdy i zdlouhavé. Analýzy rozměrů formy a odlitku lze i využít při výpočtu korekce, či úpravách rozměrů v různých směrech [10] 30

31 Obr. 9 Analýza rozměrových změn formy a odlitku [10] 31

32 3.6 Nejčastější vady odlitků Pro chybu odlitku rozumíme každou odchylku rozměrů, hmotnosti, vzhledu, makrostruktury, anebo odchylky vlastností získané laboratorními zkouškami od příslušných norem, nebo technických podmínek [11] Trhliny Trhliny jsou porušením souvislosti materiálu odlitku, ke kterému dochází ke konci tuhnutí při teplotách blízkých teplotě solidu nebo těsně pod nimi, kdy je kov v semiplastickém stavu a má minimální mechanickou pevnost. Trhliny vznikají v důsledku bržděného smršťování, když vnitřní pnutí vzniká v důsledku tuhé konstrukce odlitku, smrštění bržděného nepoddajnou formou, nebo pnutím, které vzniká nestejnoměrným tuhnutím v průřezu odlitku. [10], [14] Obr. 10 Vady odlitků: zleva: trhliny, nezaběhnutí, mikrostaženiny a bubliny [5] Nezaběhnutí a studené spoje Zapříčiněné ztrátou tekutosti kovu v důsledku jeho nízké licí teploty, dlouhé dráhy proudění, intenzivní ochlazování v tenkých stěnách, protitlak plynů uzavřených ve slepých kapsách. Příčinou vzniku studených spojů je nespojení jednotlivých proudů v důsledku oxidických vrstev na čelech proudů. [5], [10] Porezita a mikrostaženiny Porezita (pórovitost) vzniká během tuhnutí, kde se rozpustnost vodíku rapidně snižuje. Porezita bývá zapříčiněna tvorbou staženin a bublin. Čisté plynové bubliny a čisté mikrostaženiny se vyskytují jen zřídka. Dutiny vznikají vyloučením plynů obsažených v tavenině v průběhu tuhnuti. Mají kulovitý tvar a jejich poloha není přesně vázána. 32

33 Staženiny vznikají v důsledku objemové změny tuhnoucího kovu, která není kompenzována dosazením. Vznikají v oblastech hranic zrn. [5], [10] Vměstky Původ vzniku je buď vnější, nebo vnitřní. Vměstky pochází ze vsázkových surovin, tvoří je částice vyzdívkových materiálů, erozí kelímků, částicemi formovacích směsí, rozplavených nátěrů, zbytky strusky rafinačních solí apod. Vnější vměstky jsou částice, které se dostávají do taveniny zvenčí během tavení a odlévání. Vnitřní vměstky vznikají oxidací Al a dalších prvků. Vměstky snižují mechanické a slévárenské vlastnosti slitiny, a zhoršují těsnost, obrobitelnost odlitků. [8], [10] Obr. 11 Vady odlitků: zleva: vměstky, staženiny a řediny Staženiny a řediny Obecně představují dutiny, které vznikají v důsledku zmenšování objemu slitiny při tuhnutí. Příčinou je nesprávné nálitkování, nedodržení zásad usměrněného tuhnutí, nesprávné ošetření nálitků. Řediny vznikají při nedodržení zásad usměrněného lití. Vzniku se zabraňuje dostatečným doplňováním matriálu do těchto dutin z nálitku, vhodné je i zvýšení tlaku. [12] Znečištěniny Vznikají při používání pískových jader, nebo když se dostanou do kokily cizí látky. Aby k této vadě nedocházelo je třeba jádra a formu před litím dostatečně očistit stlačeným vzduchem. Písková jádra mají být tuhá a odolávat tavenině. [11] 33

34 4. VLASTNÍ PRÁCE K experimentálním zkouškám ve slévárně byly vybrány 2 různé typy odlitků, v práci nazývané jako skříň a ventil. Důvodem je porovnání vlivu dvou typů jader a dvou různých tvaru odlitků a vlivu těchto odlišností na konečnou přesnost odlitku. Ventil tedy obsahuje kovová jádra a skříň krom malých kovových jader i hlavní jádro pískové. 4.1 Metodika práce obecně pracovní postup Měření probíhalo nejdříve na odlitku ventilu a poté skříně. V první fázi měření došlo k upřesnění předem stanovených bodů, kde se bude měřit teplota a následně rozměry. Ke sběru těchto dat byly vytvořeny přehledné tabulky sloužící k následnému přepisu do programu Microsoft Excel. Před měřením došlo k otestování metodiky měření, tak aby vznikaly co nejmenší chyby měření a postup byl zdokumentován na fotografie. Následovalo měření, kdy bylo naměřeno 20 odlitků od každého vybraného typu. Byla zaznamenávána teplota vnější a vnitřní strany odlitku a po zchladnutí byly odlitky přeměřeny. Měřeny byly následující veličiny: Teplota taveniny Toto měření prováděl pracovník slévárny, měření probíhalo před litím odlitků, následně pracovník prováděl i kontrolní měření teplot. Teplota formy Pro zjištění teplotního režimu formy byly měřeny dotykovým termometrem CIE model 307P s rozsahem měření -50 C až 1300 C, předem vytypovaná místa formy na vnitřní i vnější straně odlitku. Teplota odlitku Po vyjmutí odlitku z kokily byla měřena na předem vybraných místech teplota odlitku, opět termometrem CIE 307P. Měření časového průběhu lití a tuhnutí Pro zajištění měření teplot ve stejných časech bylo využito již instalovaného digitálního měřiče času, který je umístěn u každého licího stroje, aby slévárenský dělník otevřel formu vždy ve stejný čas. 34

35 Měření rozměrů Odlitku Byla prováděna rozměrová měření odlitků posuvným digitálním měřidlem Mitutoyo s rozsahem mm a přesností 0,01 mm, dále posuvným analogovým měřidlem Somet s rozsahem mm a přesností 0,05 mm. Vzhledem k tolerancím používaných ve slévárenství je měřidlo s přesností 0,01 mm zcela dostačující. 4.2 Požadavky na odlitky U měřených odlitků je požadována těsnost vůči protékající kapalině nafta benzín, pro zajištění je požadováno: Vnitřní čistota kovu S minimem vměstků, naplynění, bublin a vnitřních staženin. Pro zajištění vnitřní čistoty se na vtok umisťuje filtr. Vměstky Vznikají, jak z taveniny, tak také způsobem lití. Snahou je dosáhnout co nejklidnějšího plnění formy (laminárního proudění). Ve formě je řada výstupků, způsobující změnu směru, které vedle rychlosti, proudění podporují turbulentní proudění a z toho plyne zvýšené oxidace a vznik vměstků. Naplynění Je způsobováno, jak při tavení, tak i při vlastním lití; laminární proudění minimalizuje vznik bublin a naplynění. Vnitřní staženiny Vedle složení slitiny jsou ovlivněny především usměrněným tuhnutím; usměrněné tuhnutí závisí na tvaru odlitku, způsobu plnění formy tekutinou a použití nálitků. Dále je ovlivněno vtokovou soustavou a jejím zaústěním, výfuky, nálitky a teplotním režimem, ovládáním teploty v různých částech formy (ohřev, nebo chlazení) a rychlostí proudění kovu. 35

36 Rozměrová přesnost Základní rozměry odlitků jsou dány přesností výroby kovové formy, kovového jádra, popřípadě pískového. Podstatný vliv na rozměr odlitku má však teplota roztaveného kovu při lití, teplota kovové formy v okamžiku vyjímání ztuhlého odlitku z formy. Vliv teploty formy v různých fázích výroby má zásadní význam na brždění, nebo volné smršťování odlitku (dané tvarem odlitku). Zkušenost ukazuje, že tento vliv lze vyjádřit v procentech a to 0,6 % -1,4 % pro slitiny Al. V praxi to znamená, že například u odlitku o délce 300 mm mohou být odchylky až 1,2 mm. Požadavky přesností odlitků nepřipouští takto velké tolerance. Jedním ze způsobů eliminací těchto rozměrových rozdílů, je dodržování teplotního režimu formy při ohřevu formy, lití a vyjímání odlitku. Opakovatelnost Pro splnění kvalitativních požadavků na přesnost a vnitřní jakost odlitku je třeba zaručit opakovatelnost režimu výroby odlitku. Velký vliv má na opakovatelnost rozměrů odlitků má stejná a optimální teplota při otevření a vyjímáni odlitků odlitku z formy. Teoreticky měřením teploty odlitku. V praxi nejsou prozatím formy vybaveny teploměrem a opakovatelnost režimu tuhnutí a otevírání se nahrazuje mřením času. Tento čas je třeba experimentálně odzkoušet, nápomocna může být počítačová simulace lití. Čistota povrchu drsnost Vedle drsnosti povrchu formy má vliv na kvalitu povrchu odlitku i postřik formy. Hodnocení vnitřní jakosti bylo provedeno na obrobených odlitcích, které byly označeny jako zmetkové. Hodnocení bylo provedeno u odlitku ventilu pro určení kritických míst kde vznikají staženiny. 36

37 4.3 Odlitek ventil Typ odlitku: Kokilový odlitek se siluminu odlévaný gravitačně, kovová jádra Materiál odlitku: ČSN AlSi10Mg EN 1706 Počet jader: 6 Životnost kokily: ks Licí teplota kovu: 680 C 750 C Teplota kokily před postřikem: 150 C 170 C Teplota kokily v provozu: 330 C 350 C Doba tuhnutí: 270 s Cyklus lití 492 s Vsázka: 5200 g Vratný materiál 1950 g Průměrná hmotnost odlitku: 3250 g Obr. 12 Fotografie odlitku ventilu Zmetkovitost: 8 % Materiál odlitku Mírně podeutektická slitina, s nízkým obsahem doprovodných prvků a nečistot, s kvalitními slévárenskými a technologickými vlastnostmi. Odlitky se vyznačují dobrou obrobitelností a korozivzdorností. Lze odlévat všemi odlévacími technologiemi, při lití do pískových forem je nutné provést modifikaci sodíkem. Při tuhnutí netvoří vnitřní staženiny. Používá se ve stavu vytvrzeném T6. Je vhodná na tenkostěnné, tvarově složité odlitky s vysokými nároky na pevnost a houževnatost [8] Tab. 6 Chemické složení slitiny dle ČSN Si Fe Cu Mn Mg Zn Ni Cr Pb [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] ,55 0,05 0,45 0,20-0,45 0,1 0,05-0,05 Sn Ti ostatní [%] [%] [%] 0,05 0,15 0,15 37

38 Před litím je z každého kelímku provedena spektrální analýza přístrojem SPECTRO- MAX (v. č ). Kontrolu a údržbu zajišťuje firma Spectro CS. Kontrolu chemického složení si pravidelně provádí slévárna sama. Výsledky jsou uvedeny v tabulce č. 7. Tab. 7 Chemické složení materiálu zjištěné spektrální analýzou Si Fe Cu Mn Mg Zn Ni Cr Pb [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] 9,71 0,2 0,0215 0,0486 0,338 0,0125 0, ,0048 0,0025 Sn Ti Ag B Be Bi Ca Cd Na [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] 0, ,1 0,0014 0,0005 0,0002 0, ,0007 0, ,0002 P Sr Li Zr Co V Ga Al [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] 0,0017 0, ,0001 0,0026 0, ,0083 0, ,5 Porovnání chemického složení s normou Oproti normě (tab. 6) slitina používaná ve slévárně Kovolit Česká obsahuje výrazně menší procento manganu, teoreticky by měl být obsah Mn poloviční oproti železu (díky kompenzačnímu účinku Mn na vznik nepříznivých fází železa se zvyšují mechanické vlastnosti, zejména se snižuje křehkost slitin). Odlévané odlitky nejsou ovšem výrazně mechanicky namáhány a chemické složení této slitiny se v praxi osvědčilo, proto slévárna obsah Mn ve slitině neupravuje. Slévárenské vlastnosti dle ČSN EN: Velmi dobrá (velká odolnost proti horkým trhlinám, tlaková těsnost, dobrá zabíhavost, malé smrštění) Teploty tuhnutí C (likvidus-solidus) Lineární smrštění při tuhnutí 1,1-1,2 % Doporučené licí teploty C (pro tlakové lití) Poznámka: Kovolit z hlediska dobré zabíhavosti používá teploty vyšší C, tyto vyšší teploty mohou způsobit některé vady. 38

39 Výkres součásti: Pro znázornění součásti je uveden výňatek z výkresu hotové součásti. Celý výkres viz příloha č. 6. Obr. 13 Výkres ventilu Forma Konstrukce formy proběhla pomocí CAD systémů a vnitřní tvary formy byly upraveny v programu pro simulaci lití za dosažení usměrněného lití. Forma je vyrobena třískovým obráběním u externí firmy (MOOD Intenational) z oceli ČSN Licí stroj Základ stroje tvoří deska z tvárné litiny usazena na nohách na ni jsou připevněny stavitelné nosníky s hydraulickými válci pro horizontální tahy (celkem 4). Nad deskou je umístěn rám s hydraulickým válcem pro vertikální tah, další hydraulický válec je umístěn i pod strojem pro tah dolů. Do vybrání základní desky stroje je přišroubována základní deska kokily. Tavení materiálu Výroba taveniny ve slévárně je rozdělena na dva kroky: 1. V plynové peci se nataví materiál z housek a vratného materiálu. Tavení probíhá ve větším množství pro celou slévárnu. Na tavení jsou zpracovány metalurgické postupy. Z plynové pece je tavenina přelita do udržovací elektrické odporové pece. 39

40 2. Na pracovišti odlévání do kokil jsou zabudovány v podlaze 4 elektrické odporové udržovací pece. Teplota se udržuje podle zabudovaného teploměru. Teplota taveniny u obou odlitků byla udržována na 750 C. Tavenina se následně upravuje odměrkou ECOSAL Al 113 a následně každou hodinu jednou tabletou ECOSAL Al 369, metalurgické příměsi pro úpravu a rafinaci se do taveniny ponoří zvonem a tavenina se promíchá. Metalurgická reakce vytvoří na hladině strusku a ta je pak odebírána a odvážena do odpadu. Následuje další měření teploty taveniny a metalurgický rozbor. Pokud je vše v pořádku, je tavenina uvolněna k odlévání. Odlévání odlitku Forma byla nahřáta plynovým hořákem na provozní teplotu 330 C. Vnitřní strana formy byla ošetřena ochranným nátěrem pomocí pneumatické pistole, druh postřiku je volen dle technologického pasportu. Ochranný nátěr chrání formu před vlivem taveniny, usnadňuje plnění formy a vyjímání odlitku. Po nástřiku byla forma dohřáta zpět na provozní teplotu a připravena na lití. Obr. 14 Pohled na licí stroj s upevněnou formou na odlévání ventilu Po uzavření formy a zasunutí jader byl do vtoku umístěn filtr. Pracovník následně licí ruční pánví odstranil zoxidovanou vrstvu kovu v peci a nabral potřebné množství roztaveného kovu pro zaplnění dutiny formy. Doba lití trvala cca 5 sekund. Při odlévání je důležité, aby byla v toková jamka neustále zaplněna taveninou a nedostával se tak do dutiny formy vzduch. 40

41 Po nalití kovu dělník spustil elektronické stopky na 200 sekund. Z vlastní zkušenosti tento čas každým litím prodlužoval o cca 5 sekund kvůli rostoucí teplotě formy. Po postřiku, který prováděl každý 6. odlitek se vždy vrátil k základnímu času 200 Sekund. Po uběhnutí požadovaného času pracovník rozevřel formu pomocí hydraulického systému, kdy vytáhl horní jádro, boční jádra spodní jádro a následně formu rozevřel a kleštěmi odlitek dal na místo chladnutí. Na nálitek bylo vyraženo pořadové číslo odlitku pro identifikaci v průběhu měření a kontroly Apretace Z odlitku je třeba odstranit vtok, nálitky, výfuky a přelitky, tyto práce se provádí ručně pomocí pásové pily a zabrušují se pásovými, nebo kotoučovými bruskami. Kontrola Následuje vizuální kontrola, kontrola rozměrů, případně může být provedena kontrola rentgenem, či kontrola těsnosti. Následně je sepsán protokol a shodě a odlitek je expedován zadavateli, či k obrábění. Obr. 15 Pracoviště kokilového lití 41

42 4.4 Odlitek skříň Typ odlitku: Kokilový odlitek ze siluminu odlévaný gravitačně, pískové jádro a kovová jádra Materiál odlitku: ČSN AlSi10Mg EN 1706 Počet jader: pískové Životnost kokily: ks Licí teplota kovu: 730 C 760 C Teplota kokily před postřikem: 150 C 170 C Teplota kokily v provozu: 330 C 350 C Doba tuhnutí: 120 s Cyklus lití 280 s Vsázka: 1900g Vratný materiál 940g Průměrná hmotnost odlitku: 960g Zmetkovitost: 3 % Obr. 16 Fotografie odlitku skříně Materiál Stejná slitina jako pro předchozí odlitek, mírně upravené chemického složení. Následující tabulka zobrazuje spektrální analýzu chemického složení slitiny. 42

43 Tab. 8 Chemické složení materiálu určeného k lití skříně Si Fe Cu Mn Mg Zn Ni Cr Pb [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] 9,71 0,2 0,0215 0,0486 0,338 0,0125 0, ,0048 0,0025 Sn Ti Ag B Be Bi Ca Cd Na [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] 0, ,1 0,0014 0,0005 0,0002 0, ,0007 0, ,0002 P Sr Li Zr Co V Ga Al [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] 0,0017 0, ,0001 0,0026 0, ,0083 0, ,5 Výkres součásti: Pro znázornění zobrazen trojrozměrný pohled a řez z výkresu. Celý výkres viz příloha č.5 Obr. 17 Výkres skříně Tavení materiálu Stejný postup jako u předchozího odlitku. Odlévání odlitku Forma je upevněna na statickém hydraulicky ovládaném stroji, počet tahů 2 do stran a jeden dolů. Konstrukce formy a vtokové soustavy byla stanovena počítačovou simulací lití. Forma byla nahřáta plynovým hořákem na provozní teplotu 330 C. Vnitřní strana formy byla ošetřena ochranným nátěrem pomocí lakýrnické pneumatické pistole. Ochranný nátěr chrání formu před vlivem taveniny, usnadňuje plnění formy a vyjímání odlitku. Po nástřiku byla forma dohřáta zpět na provozní teplotu a připravena na lití. Do formy bylo založeno pískové jádro, zavřela se kokila, pak byla znovu otevřena, dutina 43

44 formy vyfoukána od nečistot odpadlých z jádra, pak byla kokila znovu uzavřena a zasunuty spodní jádra, které slouží k odlití 6 děr na přírubě odlitku. Na rozdíl od odlitku ventilu zde nebyl před každým litím umístěn na vtoku filtr pevných částic. Po nalití kovu, což trvalo cca 3 sekundy dělník pustil elektronické stopky na dobu 80 sekund. Po uběhnutí požadovaného času pracovník vytáhl spodní jádra, rozevřel formu a kleštěmi vytáhl odlitek a umístil ho na místo chladnutí, do tlakových hlav bylo opět vyraženo číslo pro identifikaci při dalším měření a kontrole. Obr. 18 Ohřev formy skříně Čištění Apretace a kontrola je stejná, uveden je tedy čištění. Odlitek byl poté umístěn do tryskací komory a pomocí broků vyčištěna dutina od pískového jádra. 44

45 5. MĚŘENÍ TEPLOTY 5.1 Odlitek Ventil kovová forma, kovové jádra Měření probíhalo u celkem 20 odlitků, na každém z nich bylo provedeno celkem 15 měření na předem vybraných místech, tak aby charakterizovaly teplotní průběh teplot formy z vnější i vnitřní strany, včetně kovových jader a vyjmutého odlitku. Měření bylo prováděno digitálním termometrem CIE MODEL 307P s rozsahem měření -50 C 1300 C a přesností 0,3%. Měření bylo náročné kvůli sálavému teplu z formy, což mohlo mít vliv na přesnost měření, tato nepřesnost by měla být ovšem eliminována velkým počtem měření. Na vnější straně formy byly vybrány 3 charakteristické body, jejichž měření probíhalo: 1. Ihned po naplnění formy taveninou čas sekund po naplnění formy. 3. Před vyjmutím odlitku v čase 200 sekund. Obr. 19 Pohled na formu odlitku s vyznačenými body měření 45

46 Bod 1 Charakterizuje teplotu formy na povrchu shora v místě nejmenšího soustředění objemu materiálu kokily, aby bylo možné zachytit přenos teploty roztaveného kovu na formu v čase. Bod 2 Charakterizuje teplotu formy na přední straně, kde je umístěna vtoková soustava, tento bod je dutiny formy, aby bylo možno zachytit přenos teploty taveniny na povrch formy v čase. Bod 3 Charakterizuje teplotu formy na zadní straně, tento bod je nejdále vtokové soustavě a je zde soustředěn největší objem materiálu, aby bylo možno zachytit přenos teploty taveniny na povrch formy v čase. Obr. 20 Body měření na vnější straně formy Po rozevření formy byla měřena teplota dutiny formy a následně teplota vyjmutého odlitku v těchto charakteristických místech: Bod 4 Charakterizuje teplotu formy v místě licího kanálu. Bod 5 Charakterizuje teplotu formy u místa zadního jádra. Bod 6 Charakterizuje teplotu bočního kovového jádra. Bod 7 Teplota spodního kovového jádra. Bod 8 Teplota odlitku v dutině nalevo od licí soustavy. Bod 9 Teplota odlitku v dutině na straně licí soustavy. Obr. 21 Body měření na vnitřní straně formy 46

47 Teplota [ C] Obr. 22 Body měření odlitku Měření teplot vnější strany formy Na grafech (obr. 23 a 24) je znázorněn teplotní průběh lití na vnější straně formy v časech 0, 100, 200 s, popsaných výše. Na vodorovné ose je počátek měření, respektive čas 0 s označen číslem lití, následují časy 100 s a 200 s. Body jsou pro názornost propojeny křivkou, která nezobrazuje reálný průběh teplot bod 1 bod 2 bod Číslo lití Obr. 23 Graf průběhu teplot vnější strany formy 47

48 Teplota [ C] bod 1 bod 2 bod Číslo lití Obr. 24 Graf průběhu teplot vnější strany formy Z grafů je zřejmé, že teplota bodu 3 má v průběhu lití odlitku nižší teplotu, než body 1 a 2. Důvodem je větší objem materiálu formy mezi taveninou a měřeným místem. Vnější teplota formy po nahřátí byla 360 C v bodech 1 a 2, v bodu 3 byla teplota 355 C. U bodu 3 je patrný následný pokles teploty na úroveň pohybující se okolo 300 C. V černě označených bodech (číslo lití 6, 12, 18) byl prováděn na odlitku postřik formy, při kterém došlo ke snížení teplot měřených bodů o cca C Měření teplot vnitřní strany formy a odlitku Na grafu (obr. 25) je znázorněn průběh teplot vnitřních bodů formy body 6 a 4, průběh teplot kovových jader body 5 a 7. A průměrná teplota odlitku měřená v bodech 8 a 9. Proběhlo měření při 20 licích procesech. Jednotlivá lití jsou znázorněna na vodorovné ose a k nim jsou přiřazeny naměřené teploty. Černými body jsou znázorněn postřiky u lití číslo 6, 12, 18. Body jsou pro názornost propojeny křivkou, která nezobrazuje reálný průběh teplot. 48

49 Teplota [ C] Číslo lití bod 4 bod 5 bod 6 bod 7 T odlitku Obr. 25 Graf naměřených teplot vnitřní strany formy a odlitku Z grafu je zřejmý rozdíl teplot uvnitř dutiny formy, teploty jader (body 5, 7), je o cca 100 C vyšší než teploty vnitřní strany formy (body 4, 6). Tak jako při měření teplot vnější strany, tak i v tomto případě se na teplotách formy, jader i dolitku projevil postřik formy. Průměrná teplota odlitku byla 417 C. T odlitku průměrná teplota odlitku měřena v bodech 8 a 9, viz obr Dílčí hodnocení měření teplot odlitku ventilu Po každém postřiku formy došlo ke snížení teplot všech bodů měření v závislosti na místě odlitku až o 50 C, minimálně o 5 C. Teplota jader je o cca 100 C vyšší, než teplota vnitřní strany formy. Postřik formy se projevil v omezené míře i na výsledné teplotě odlitku. Teplota bodu 3 byla o cca 40 C nižší, než teplota bodů 1 a2. 49

50 5.2 Odlitek Skříň kovová forma, pískové jádro Naměřeno opět 20 lití, při každém bylo provedeno celkem 15 měření na charakteristických místech. Oproti odlitku ventilu v kratším čase. Měření bylo opět prováděno digitálním termometrem CIE MODEL 307P s rozsahem měření -50 C 1300 C a přesností 0,3% Měření teplot povrchu formy Na vnější straně formy byly vybrány 3 charakteristické body, jejichž měření probíhalo: 1. Ihned po naplnění formy taveninou čas sekund po naplnění formy. 3. Před vyjmutím odlitku v čase 80 sekund. Bod 1 Představuje teplotu kokily na pravé straně formy v místě co nejblíže tekutému kovu. Bod 2 Teplota nejdále od vtokové soustavy a co nejblíže dutiny formy. Bod 3 Charakterizuje teplotu kokily na přední straně, tento bod je nejblíže vtoku. Tak aby šel zachytit přenos tepla taveniny na povrch formy. Obr. 26 Body měření vnější strany formy Měření teplot vnitřku formy Bod 4 Charakterizuje teplotu formy v bodu nejbližším pískovému jádru. Bod 5 Teplota uprostřed odpovídající venkovnímu bodu 1. Bod 6 Charakterizuje teplotu formy na spodní straně odlitku poblíž spodních kovových jader. 50

51 Obr. 27 Body měření teplot na vnitřní straně formy Měření teplot odlitku Bod 7 Teplota odlitku charakterizující bod 4 Bod 8 Teplota odlitku charakterizující bod 5 Bod 9 Teplota odlitku charakterizující bod 6 Obr. 28 Body měření teploty odlitku 51

52 Teplota [ C[ Teplota [ C[ Měření teplot vnější strany formy Grafy (obr. 29 a 30) zobrazují průběh teplot v bodech 1, 2 a 3 v časech 0, 40 a 80 sekund. Na vodorovné ose je počátek měření, respektive čas 0 s označen číslem lití (1-10, 11-20), následují časy 100 s a 200 s. Body jsou pro názornost propojeny křivkou, která nezobrazuje reálný průběh teplot Číslo odlitku Obr. 29 Graf průběhu teplot na vnější straně formy Bod 1 Bod 2 Bod Číslo odlitku Bod 1 Bod 2 Bod 3 Obr. 30 Graf průběhu teplot na vnější straně formy 52

53 Teplota [ C] U tohoto odlitku byl prováděn postřik po každém lití, nevyskytují se zde teplotní výkyvy jako u odlitku ventilu. U prvních 3 lití byla forma otevřena déle a projevil se mírný propad teplot, následující průběh teplot je poměrně ustálený. Teplota bodu 1 je cca o 40 C vyšší, než teploty bodů 2 a 3, způsobeno je to tím, že bod 1 je blíže dutiny formy Měření teplot vnitřní strany formy Graf (obr. 31) zobrazuje průběh změn teplot při každém lití na vnitřní straně formy v bodech 4, 5 a 6 a průměrnou teplotu odlitku měřenou v bodech 7, 8, Bod 4 Bod 5 Bod 6 T odlitku Číslo odlitku Obr. 31 Graf naměřených teplot vnitřní strany formy a odlitku Z grafu teplot dutiny formy a odlitku je zřejmý postupný nárůst teplot, teplota formy se pohybovala v rozmezí teplot 290 C u bodu 4 až 380 C u bodu 5. T odlitku průměrná teplota odlitku byla 392 C. Bod 5 je o cca 30 C teplejší, než zbytek formy. 53

54 Teplota [ C] Měření teplot odlitku, vnitřní a vnější strany formy Z důvodů tvarové jednoduchosti a možnosti měřit teploty odlitku a formy na v sobě navazujících bodech následující graf (obr. 32) znázorňuje průběh teplot odlitek dutina formy povrch formy, teploty byly získány výpočtem průměru z 20 naměřených teplot v těchto bodech Bod 8 Bod 7 Bod Bod 4 Bod 1 Bod odlitek dutina povrch Bod měření Obr. 32 Graf poklesu teploty mezi vnitřní a vnější stranou odlitku Tloušťka stěny formy mezi body 5 a 1 byla 90 mm a pokles teploty z 374 C na 323,7 C byl 50,3 C. Tloušťka stěny formy mezi body 4 a 2 byla 120 mm a pokles teploty z 308,7 C na 285,3 C byl 23,4 C Dílčí hodnocení měření teplot odlitku ventilu Zřetelně větší ustálenost teplotního průběhu než tomu bylo u odlitku ventilu. Teplota odlitku byla o cca 20 C vyšší, než nejteplejší bod dutiny formy. Rozdíly teplot uvnitř formy byly až cca 70 C. Pokles teploty u 90 mm tlusté stěny byl 50,3 C, u 120 mm stěny 23,4 C. 54

55 6. MĚŘENÍ ROZMĚRŮ Měření rozměrů probíhalo po zchladnutí odlitků 24 hodin po odlití tj. při teplotě cca 20 C, u odlitku skříně došlo před měřením k nezbytnému vytryskání pískového jádra, aby bylo možno měřit vnitřní průměry. 6.1 Měření rozměrů odlitku ventilu Na tomto odlitku byly vybrány signifikantní rozměry, zejména na kovových jádrech. Měřená místa jsou znázorněna na následujícím obrázku. Obr. 33 Zobrazení měřených rozměrů na odlitku ventilu D1 Průměr bočních otvorů spočítán jako průměrný rozměr obou stran. D2 Průměr odlitku na zadní straně, naproti licí soustavy, měřeny 2 rozměry a to kolmo na dělící rovinu a rovnoběžně s dělící rovinou. Spočítán jako průměr těchto dvou naměřených hodnot. D3 průměr spodního otvoru; D3 měřen kolmo a v dělící rovině a vypočten průměr L1 šířka odlitku v dělící rovině L2 šířka spodního jádra, celkový rozměr spočítán jako průměr délek naměřených kolmo a rovnoběžně na dělící rovinu H Výška odlitku v dělící rovině 55

56 Rozměr výkres Zjištěn pomocí 3D modelu v CAD programu. Rozměr forma Rozměr uvedený na výkrese formy a přeměřený na formě. Průměrný naměřený rozměr Průměrná hodnota z naměřených dat. Rozměr D1 Bržděné smrštění Tento rozměr je brzděn kovovým jádrem, oproti průměrnému výpočtovému smrštění 0,8 %, mělo být počítání se smrštěním 0,41 %. K volnému smršťování dochází po vytažení z jádra. Tab. 9 Vyhodnocovací tabulka rozměru D1 D1 Rozměr výkres Rozměr kokila Průměrný naměřený rozměr [mm] [mm] [mm] 71,60 72,15 71,88 % 100,00 100,80 100,39 Smrštění v % 0,41 Korekce v % -0,39 Průměrné smrštění bržděné kovovým jádrem u průměru D1 je 0,41 %, oproti výpočtovému průměrnému smrštění 0,8 % je vhodná korekce -0,39 %. Rozměr D2 Brzděné smrštění Stejná problematika jako Rozměr D1. Tab. 10 Vyhodnocovací tabulka rozměru D2 D2 Rozměr výkres Rozměr kokila Průměrný naměřený rozměr [mm] [mm] [mm] 71,60 72,15 71,76 % 100,00 100,80 100,23 Smrštění v % 0,57 Korekce v % -0,23 Průměrné bržděné smrštění na kovovém jádře v dělící rovině naproti vtoku je 0,57 %, korekce oproti 0,8 % je -0,23 %. 56

57 Rozměr L1 Volné smrštění minimální brzdění formě. Prakticky nebrzděné smršťování vnějšího rozměru, k smršťování dochází již ve Tab. 11 Vyhodnocovací tabulka rozměru L1 L1 Rozměr výkres Rozměr kokila Průměrný naměřený rozměr [mm] [mm] [mm] 184,00 185,80 183,76 % 100,00 100,80 99,87 Smrštění v % Korekce v % 0,93 +0,13 Smrštění je zde 0,93 %, došlo tedy ke smrštění většímu než 0,8 % a je třeba korekce +0,13 %. Volné smrštění by bylo cca 1,2 %. Rozměr L2 Bržděné smrštění Rozměr je zde brzděn spodním jádrem o čtvercovém průřezu. Tab. 12 Vyhodnocovací tabulka rozměru L2 L2 Rozměr výkres Rozměr kokila Průměrný naměřený rozměr [mm] [mm] [mm] 86,10 86,80 86,50 % 100,00 100,80 100,46 Smrštění v % 0,34 Korekce v % -0,46 Průměrné smrštění tohoto rozměru je 0,34. Potřebná korekce je -0,46 %. 57

58 Rozměr H Volné smrštění Tento vnější rozměr je přibrzďován jádry uvnitř odlitku. Tab. 13 Vyhodnocovací tabulka rozměru H H Rozměr výkres Rozměr kokila Průměrný naměřený rozměr [mm] [mm] [mm] 118,00 118,90 117,95 % 100,00 100,80 99,95 Smrštění v % Korekce v % 0,85 +0,05 Smrštění je tedy 0,85 %, tedy můžeme to nazvat přibrzděné smršťování, korekce oproti uvažovanému celkovému smrštění 0,8 % je potřebná korekce pouze 0,05 %. 6.2 Měření rozměrů odlitku skříně Na tomto odlitku byly vybrány signifikantní rozměry, zejména na kovových jádrech. Měřená místa jsou znázorněna na následujícím obrázku. Obr. 34 Zobrazení měřených rozměrů na odlitku skříně 58

59 D1 Průměr spodního otvoru, měřeny 2 rozměry a to v dělící rovině a kolmo na dělící rovinu, rozměr spočítán jako průměr těchto dvou naměřených hodnot. D2 Průměr bočního otvoru, měřeny 2 rozměry a to v dělící rovině a kolmo na dělící rovinu, rozměr spočítán jako průměr těchto dvou naměřených hodnot. D3 průměr spodní příruby. H Výška odlitku. D1 Volné smršťování Jedná se de facto o případ volného smršťování, jelikož po nalití taveniny do formy dojde ke spálení vrchní vrstvy jádra a možnosti většího smršťování odlirku. Tab. 14 Vyhodnocovací tabulka rozměru D1 D1 Rozměr výkres Rozměr kokila Průměrný naměřený rozměr [mm] [mm] [mm] 77,00 77,60 76,51 % 100,00 100,80 99,37 Smrštění v % Korekce v % 1,43 +0,63 Naměřeno smrštění 1,43 % což se rovná volnému smršťování, dle ČSN je volné lineární smrštění této slitiny 1,2 % Vyšší smrštění může být ovlivněno skutečným chemickým složením slitiny a vyšší licí teplotou (vliv složení slitiny na smrštění nebyl předmětem této práce). Doporučená korekce je tedy +0,63 %. 59

60 D2 Volné smrštění Platí zde to stejné jako u předchozího rozměru. Tab. 15 Vyhodnocovací tabulka rozměru D2 D2 Rozměr výkres Rozměr kokila Průměrný naměřený rozměr [mm] [mm] [mm] 41 41,25 40,72 % 100,00 100,80 99,32 Smrštění v % 1,48 Korekce v % +0,68 Smrštění bylo 1,48 % a doporučená korekce na přídavek na smrštění jest 0,68 %. D3 Brzděné smrštění V přírubě jsou otvory odlívané pomocí kovových jader, tyto jádra do svého vytažení tedy brzdí smršťování odlitku. Tab. 16 Vyhodnocovací tabulka rozměru D3 D3 Rozměr výkres Rozměr kokila Průměrný naměřený rozměr [mm] [mm] [mm] 154,00 155,20 154,65 % 100,00 100,80 100,42 Smrštění v % Korekce v % 0,38-0,42 0,42 %. Smrštění bylo 0,38 % právě kvůli brždění kovovými jádry, doporučená korekce je 60

61 H Volné smrštění Nedochází k brždění, smršťování probíhá už v kokile. Tab. 17 Vyhodnocovací tabulka rozměru H H Rozměr výkres Rozměr kokila Průměrný naměřený rozměr [mm] [mm] [mm] 65, ,25 % 100,00 100,80 99,62 Smrštění v % 1,18 Korekce v % +0,38 Příklad volného smršťování kdy dle ČSN je volné smrštění je 1-1,2 %. Reaálné smrštění tu bylo 1,18 %, doporučená korekce je +0,38 %. 6.2 Vyhodnocení naměřených hodnot Tab. 18 Vyhodnocení smršťování Odlitek Označení Rozměr Druh Smrštění rozměru výkres smrštění [mm] [%] ventil D1 71,6 0,41 bržděné D2 71,6 0,57 bržděné L1 184,0 0,93 volné L2 86,1 0,34 bržděné H 118,0 0,85 volné Skříň D1 77,0 1,43 volné D2 41,0 1,48 volné D3 154,0 0,38 bržděné H 65,5 1,18 volné Z výše zmíněných výsledků měření je patrné, že pokud je rozměr do svého vyjmutí brzděn tvarově, či typicky kovovým jádrem, je třeba uvažovat průměrné smrštění 0,43 %. Při volném smršťování byla naměřena průměrná hodnota smrštění 1,17 %. Celková průměrná naměřená a spočtená hodnota pro celkové smrštění je 0,84 % což potvrzuje slévárenskou praxi. Univerzální užití průměrného smrštění je velice zkreslující, jak ukazují naměřená data, například rozdíl mezi nejmenším a největším smrštěním je 1,14 % a rozdíl mezi používaným smrštěním 0,8 % a největším smrštěním je 0,68 %, při nejmenším smrštění je rozdíl 0,46 %. 61

62 6. VADY ODLITKU Vady odlitků především jejich řediny a staženiny jsou závislé na způsobu tuhnutí odlitku ve formě a závisí tedy na teplotním režimu formy. Slévárna při přípravě výroby odlitků ventilu zadala na VUT v Brně simulaci lití a tuhnutí. Pro simulaci byly použity průměrné hodnoty teploty formy a na základě simulace byly navrženy rozměry vtoků, zářezů a nálitků. Simulace byla provedena, protože odlitek byl vyráběn pro odběratele v různých slévárnách s výskytem zmetkovitosti nad 60 % tzn. pro praxi nepoužitelnou technologií. Po provedené simulaci a výrobě nových forem, odzkoušení režimu lití a tuhnutí bylo dosaženo zmetkovitosti do 5 %. V pasportu byla předpokládaná zmetkovitost 8 %. 6.1 Výsledky kontroly vad Pro vyhodnocení zmetkovitosti z hlediska druhu vady a jejich polohy měla slévárna k dispozici 15 obrobených odlitků, které byly vráceny odběratelem jako zmetky. Bylo provedeno hodnocení vad odlitků, kdy šlo o staženiny. Tyto staženiny se nacházeli v dutinách formy označených jako D1 a D2 viz obr. 33 Vznik těchto vad je s ohledem na požadovanou těsnost odlitků nežádoucí a je potřeba tyto vady eliminovat a to lepším dosazováním kovu do kritických míst pomocí usměrněného tuhnutí odlitku ve formě a vhodně umístěných nálitků. Jádra měla vyšší teplotu než forma, odlitek tedy pravděpodobně tuhl na jádře pomaleji a došlo k vytvoření teplotního uzlu. Obr. 35 Vady odlitků 62