NÁVRH SLITINY MĚDI NA ODLITKY HUDEBNÍCH NÁSTROJŮ SVOČ FST 2014 Bc. David Bricín Husovo náměstí 130, 26901, Rakovník Česká republika ABSTRAKT: Cílem

Transkript

1 NÁVRH SLITINY MĚDI NA ODLITKY HUDEBNÍCH NÁSTROJŮ SVOČ FST 2014 Bc. David Bricín Husovo náměstí 130, 26901, Rakovník Česká republika ABSTRAKT: Cílem tohoto článku je seznámení s problematikou odlévání drobných součástek pro hudební průmysl. Jako první bude uvedena technologie, která je v tomto oboru pro odlévání odlitků používána. Dále bude na případu odlévané slitiny ukázáno, jaké vady v odlitku během jeho tuhnutí vznikají a k čemu tyto vady během dalšího zpracování odlitku vedou. Na tuto část navazují kapitoly, které se zabývají návrhem, jak snížit poréznost odlitku a to za použití simulačního výpočtu procesu odlévání v programu PROCAST společnosti ESI s.r.o. Budou prezentovány tři různé návrhy na snížení poréznosti odlitků. Dva se zabývají úpravou licí soustavy tj. změnou rozložení odlitků a změnou umístění zářezů (kanálů) vedoucích kov do odlitku. Třetí návrh se zabývá změnou odlévané slitiny a teploty, za které k odlévání součástek dochází. V závěru prezentace bude čtenář seznámen s výsledky praktického ověření správnosti simulačního výpočtu. KLÍČOVÁ SLOVA: Poréznost, odlitek, simulace ÚVOD: Muziku poslouchá denně spousta lidí, avšak k tomu aby nástroje správně hrály je potřeba vyrobit velké množství součástek. Ve vyráběných součástkách se vyskytují vady. Jejich výskyt je spojen s používanou technologií výroby. V mnoha případech tyto vady nemusí vést až ke konečné destrukci, ale mohou je například znehodnotit špatným ozvučením. V tomto článku se bude věnovat pozornost defektům, které mají za následek vznik defektů. K těm může dojít během výroby, kdy jsou součástky různě ohýbány nebo posléze v době používání nástroje, kdy může prasklá součástka poškodit celý hudební nástroj, což pak prodražuje jeho opravu. Cílem této práce je nejprve popsat technologii používanou k výrobě drobných součástek pro hudební nástroje litím na vytavitelný model a posléze s vadami, které v odlitcích vznikají. Tyto vady budou prezentovány na příkladu běžně používané slitiny. Na základě zjištěných vad byl navržen experimentální program, jehož výsledky byly zpracovány pomocí simulačního softwaru procesu odlévání PROCAST. Cílem experimentálního programu bylo snížení výskytu vnitřních vad v odlitku a to několika různými způsoby. Prvním navrhovaným řešením je změna geometrického uspořádání odlitků a zářezů (kanálů) ústících do odlitku. Druhou navrhovanou variantou je změna licích teplot a slitin, které jsou k výrobě součástek hudebních nástrojů používány. Navrhovanými variantami řešení a výsledky simulačních výpočtů se zabývá další část této práce. Po prezentaci výsledků simulačních výpočtů je v závěru uvedeno praktické porovnání poréznosti používaných slitin a slitin navržených pomocí simulačního výpočtu. LITÍ DO VYTAVITELNÉHO MODELU: Jedná se o jednu z nejstarších technologií odlévání. První odlitky vyrobené touto technologií byly vyrobeny před více jak čtyřmi tisíci lety. Mezi největší odlitky vyrobené touto technologií patří například socha Buddhy na nádvoří chrámu Kotoku v japonské Kamakuře. Tato socha byla odlita z bronzu, je vysoká 13,5 metru a váží 850 tun. Technologie lití na vytavitelný model se kromě soch používá také na výrobu odlitků složitých tvarů, jako jsou například bloky motorů apod. Výše uvedená technologie spočívá ve vytvoření voskového modelu. Voskový model má tvar budoucího odlitku zvětšený o přídavky na smrštění odlévané slitiny a voskové hmoty. Forma na voskový model může být vyrobena z různých materiálů, od čehož se odvíjí její životnost. Například sádrové formy jsou jednorázové pro nepříliš přesné voskové modely, většinou se používají pro ověření správnosti volby odlévané slitiny. Zatímco například forma vyrobená z kaučukové hmoty se hodí pro výrobu drobných odlitků složitých tvarů s hladkým povrchem. Po vytvoření voskových modelů, jsou tyto modely spojeny v celek tzv. stromeček a to metodou pájení nebo lepení. Jakmile je stromeček vyroben, dojde k jeho zaformování, v případě odlévání součástek pro hudební průmysl se jedná o zaformování stromečku do sádrové hmoty. Po ztuhnutí sádry je forma vypálena v peci kvůli snížení obsahu vody a zvýšení její tuhosti. Při výpalu je z formy vytaven voskový model, čímž vznikne ve formě dutina. Do takto připravené formy je následně provedeno odlití. Po ztuhnutí odlévané slitiny, je forma odstraněna rozmočením. Po odstranění zbytků formy z odlitků, jsou odlitky odřezány od středového kmene a dále zpracovávány.

2 Níže uvedený obrázek zachycuje proces odlévání pomocí lití na vytavitelný model. Obrázek 1: Schéma zachycující postup při odlévání odlitků technologií lití na vytavitelný model PROBLEMATIKA ODLITKŮ PRO HUDEBNÍ PRŮMYSL: Drobné odlitky vyráběné výše uvedenou technologií, jsou odlévány ze slitin mědi, přesněji se jedná o slitiny mosazí, které obsahují kromě zinku i další legující prvky. Tyto prvky mají za úkol zlepšit mechanické vlastnosti odlitku. Jedná se především o nikl, který zvyšuje pevnost odlévané slitiny nebo mangan, který zlepšuje její zabíhavost. Odlévání na vytavitelný model probíhá gravitačně v prostředí vakua. Vakuum způsobuje u mosazí změnu chemického složení, dochází totiž ke zvýšenému vypařování zinku, což bylo potvrzeno porovnáním chemických složení polotovaru s odlitky, které byly touto metodou odlity. Díky vypařování mají tedy odlitky odlišné mechanické vlastnosti oproti výchozímu polotovaru a to především při jejich opětovném přetavení. Dalším problémem, který je spjatý s výrobou odlitků pro hudební průmysl, je jejich poréznost. Požadavkem na tyto odlitky je nízká povrchová i vnitřní poréznost, přičemž větší požadavky jsou kladeny na povrch odlitku a to z několika důvodů. Zaprvé je tento požadavek kladen kvůli estetice-vzhledu odlitku a za druhé snížením povrchové poréznosti se zkracuje čas potřebný pro další zpracováníomílání, broušení apod. Poréznost odlitků má dále za následek jejich praskání a to proto, že odlitky jsou během svého dalšího zpracování ohýbány, čímž dochází ke zvýšení pnutí, které vede k jejich porušení. Nalezená poréznost na dodaných vzorcích běžně používaných slitin, zjištěná pomocí RTG snímků, byla následně potvrzena metalografickým výbrusem, který umožnil určit typ a velikost vnitřních vad. Zde je uveden příklad na vzorku klapky typu KL vyrobené ze slitiny mosazi, která je běžně používána pro výrobu odlitku.

3 Jak je vidět z níže uvedených snímků z RTG a metalografie, poréznost je ve sledovaném místě značná a má za následek vyřazení odlitku z výroby. Obrázek 2: RTG snímek, zachycující polohu vnitřních vad odlitku a metalografický snímek (pravá čast obrázku), zachycující velikost a typ vnitřní vady SIMULAČNÍ VÝPOČET: Pro řešení této problematiky poréznosti odlitků byl využit simulační výpočet v programu PROCAST společnosti MECAS ESI s.r.o. Jedná se o software, s modulovým uspořádáním. To znamená, že není určen pouze pro řešení jednoho typu úloh, ale pomocí různých nástavbových modulů, lze jeho prostředí upravit a tak umožnit řešení téměř jakéhokoliv problému. Pro řešení výše zmíněného problému, byl použit modul Shringage porosity, který zobrazuje procentuální zastoupení poréznosti v objemu odlitku a to v závislosti na chemickém složení slitiny, zvolených teplotách odlévání, tlaku během lití a jeho způsobu. Tento modul nepočítá s pnutími, která v odlitku vznikají během jeho tuhnutí. V tomto případě byly navrženy tři varianty řešení. První dvě varianty se zabývají rozložením odlitků na licím kůlu a umístěním zářezů ústících do odlitku. Třetí varianta se zabývá změnou odlévané slitiny a použitím jiné teploty odlévání. Změna rozložení odlitků: Na níže uvedeném obrázku je uveden výřez z výkresu, který ukazuje změnu rozložení odlitků na licím kůlu. Změna je ve vzdálenosti mezi odlitky a počtu odlitků na licím kůlu. Varianta A zobrazuje nejtěsnější uspořádání odlitků, při kterém se na licí kůl vejde 40 odlitků. Varianta B je uspořádání se střední rozteční, při kterém se na licí kůl vejde 32 odlitků a varianta C zobrazuje rozložení s největší roztečí mezi odlitky, které umožňuje na licí kůl umístit 24 odlitků. Obrázek 3: Návrh rozmístění odlitků na licím kůlu

4 Níže uvedený obrázek zobrazuje výsledek simulačního výpočtu. Zde uvedený výsledek zobrazuje v detailu poréznost jednoho odlitku umístěného na licím kůlu viz. Výše uvedený obrázek 1. Obrázek 4: Výsledek simulačního výpočtu v programu PROCAST V tomto porovnání jsou místa s nejvyšší porézností zobrazena červenou barvou. Z tohoto porovnání je vidět, že pozorovaná poréznost se ve sledovaném objemu odlitku mění, přičemž nejnižší poréznost vykazuje rozložení C. Změna umístění zářezů: Změna rozložení zářezů zde bude prezentována na dvou příkladech, přičemž simulovaných variant uložení zářezů vedoucích kov do odlitku bylo více avšak z důvodu rozsahu této práce, je zde uveden pouze informativní příklad. Níže uvedený obrázek zobrazuje dva návrhy uložení zářezu do odlitku. První variantou, varianta 1, je umístění zářezu do nejužšího místa odlitku. Druhou variantou je jeho umístění do místa nejsilnějšího. Obrázek 5: Navrhované varianty uložení zářezů ústících do odlitku Níže uvedený obrázek zachycuje výsledky simulačního výpočtu. Z porovnání umístění zářezů je patrný podstatný rozdíl v poréznosti v nejobjemnější části odlitku. Na základě tohoto porovnání je zřejmé, že výhodnější variantou je varianta 1.

5 Obrázek 6: Výsledek simulačního výpočtu uložení zářezu vedoucího kov do odlitku Kromě uložení zářezu do odlitku má na poréznost vliv i orientace odlitku vůči formě. Výsledky těchto simulačních výpočtů zde nejsou uvedeny a to z důvodu rozsahu této práce. Změna odlévané slitiny: Pro simulační výpočet byly vybrány slitiny mědi, hliníku a zinku. Výběr slitin byl proveden na základě jejich mechanických vlastností, ceně a metalurgických vlastností a to tak, aby hodnoty těchto vlastností přibližně odpovídali používaným slitinám. Mezi metalurgické vlastnosti patří rozdíl mezi teplotami solidu a likvidu, kde byly slitiny vybírány tak, aby byly zastoupeny slitiny s velkým i malým rozdílem mezi těmito teplotami. Níže uvedený obrázek zobrazuje graf s vybranými mechanickými vlastnostmi navrhovaných slitin a porovnává je s používanými slitinami. Obrázek 7: Graf porovnávající mechanické vlastnosti pevnost v tahu (MPa) a tvrdost (HV) navrhovaných slitin (zelená) a porovnává je s používanými slitinami (červená)[2] U těchto slitin byla nejprve určena ideální teplota přehřátí, tedy teplota lití, při které slitina vykazuje nejnižší stupeň poréznosti. U každé slitiny byl proveden simulační výpočet při teplotách přehřátí 50 0 C, C a C. Výsledky těchto výpočtů byly mezi sebou porovnány a byla vybrána nejvýhodnější varianta, tedy ta co vykazovala nejnižší

6 poréznost. Slitiny, které vykazovaly nejnižší poréznost, byly mezi sebou dále porovnány a to tak aby byli určení nejvhodnější kandidáti na post nových slitin pro odlitky součástek hudebních nástrojů. Zde na níže uvedeném obrázku je uvedeno konečné srovnání jedné původní slitiny CuZn30 s čtyřmi navrhovanými slitinami, jedné na bázi zinku, druhé na bázi hliníku a třetí a čtvrté na bázi mědi. Tyto slitiny vykázaly při simulačních výpočtech nejnižší stupeň poréznosti z navrhovaných slitin. Obrázek 8: Porovnání navrhovaných slitin OVĚŘENÍ SIMULAČNÍHO VÝPOČTU: Z výše uvedeného porovnání slitin je patrné, že používaná slitina vykazuje oproti navrhovaným vyšší poréznost. Za povšimnutí stojí porovnání slitiny CuZn30 se slitinou CuZn40, rozdíl v poréznosti je dán odlišným chemickým složením, kdy slitina CuZn40 odpovídá přibližně eutektickému bodu na fázovém diagramu Cu-Zn. Tato oblast vykazuje malý rozdíl mezi teplotami solidu a likvidu a z porovnání je patrné, že při menších rozdílech mezi teplotami solidu a likvidu, se poréznost soustředí do středové části odlitku, zatímco při větších rozdílech mezi těmito teplotami, je poréznost rozptýlená rovnoměrně v objemu odlitku viz slitina AlSi9Cu3. Pro ověření simulačního výpočtu byla odlita slitina zinku, hliníku a slitina hliníkového bronzu, která vykazovala nižší stupeň poréznosti oproti slitině CuZn40. Zde je uvedeno porovnání výsledků u slitiny zinku. Obrázek 9: RTG snímek porovnávající navrhovanou slitinu s používanými.

7 Obrázek 10: Metalografické snímky porovnávající vnitřní poréznost navrhované slitiny s používanými Pomocí výše uvedených porovnání byla ověřena správnost nastavení parametrů simulačního výpočtu, kdy nově navržené slitiny vykazují oproti používaným slitinám nižší stupeň poréznosti. ZÁVĚR A DOPORUČENÍ: Výše uvedený text měl za cíl v požadované stručnosti seznámit s problematikou odlévání drobných součástek pro hudební průmysl a dále uvést varianty řešení, jejichž úkolem bylo zvýšení jakosti odlitku a snížení zmetkovitosti během jeho výroby. Na základě výsledku simulačního výpočtu a provedených taveb se dospělo k následujícímu závěru. Vliv vzdálenosti odlitků mezi sebou, nebo-li jejich uspořádání na licím kůlu, nemá tak zásadní vliv na poréznost slitiny jako orientace odlitku a umístění zářezu do něj ústícího. Dále bylo zjištěno, že nejvyšší vliv na jakost odlitku má odlévaná slitina. Z navrhovaných slitin vyšla při simulačním výpočtu jako nejvýhodnější slitina zinku. U této slitiny ovšem dochází během tuhnutí k velkým objemovým změnám, které vedou ve většině případů k vytvoření trhlin. Z toho důvodu, by bylo nutné při používání těchto slitin upravit odlitek, materiál formy, případně zavést dodatečné nálitkování. Tyto změny však nejsou pro tento typ odlitků dovoleny. Dalším požadavkem, který vyplynul až po provedení simulačních výpočtů, bylo zachování výroby součástek ze slitin mědi. Z tohoto pohledu, se jeví jako výhodnější slitina CuZn40, která má daleko nižší povrchovou poréznost než mosazné slitiny v současné době používané. Nevýhodou všech těchto slitin obsahujících jako jeden z prvků zinek je jeho vypařování v průběhu vlastní tavby slitiny. Z toho důvodu se mohou výrazně lišit vlastnosti mezi vstupním polotovarem a výstupním odlitkem a to především pokud je pro další tavbu používán odpad z předchozích taveb (vtoky, zářezy nebo nejakostní odlitky). Na základě těchto úvah a výsledku simulačního výpočtu jsou nejvýhodnějšími slitinami, hliníkové bronzy přesněji slitina CuAl7Fe2, která má kromě dobrých slévárenských vlastností, i výborné vlastnosti mechanické. Vybrané slitiny hliníku vykazovaly také nízké procento poréznosti, ale to by se již nejednalo o slitiny mědi, jak je uvedeno v názvu příspěvku. PODĚKOVÁNÍ: Chtěl bych poděkovat všem, kteří byli nápomocni při řešení této problematiky, především zástupců firem AMATI DEMAK s.r.o. Kraslice a MECAS ESI GROUP s.r.o. Plzeň. Také je na místě poděkovat Karlovarskému kraji, který v minulém roce finančně podpořil tento aplikovaný výzkum. LITERATURA: [1] Tatiana Grígerová, Rudolf Kořený, Ivan Lukáč. Zlévárenstvo neželezných kovov. Praha : Nakladatelství technické literatury, [2] LIMITED, GRANTA DESIGN. CES EDUPACK version [KMM-VPK-NTB 5] CAMBRIDGE, [3] s.r.o., MECAS ESI GROUP. Procast User manual.: Mecas esi group s.r.o., 2012.