FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 1

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 0

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 3 Abstrakt Cílem této bakalářské práce je po teoretické stránce popsat problematiku pórovitosti odlitků z hliníkových slitin odlévaných metodou tlakového lití. V práci je blíže rozebrán vliv pórovitosti na mechanické vlastnosti odlitků. Teoretické závislosti byly ověřeny v experimentu, který je založený na nově naměřených datech a datech, která jsou převzata z diplomových prací a odborných článků studentů Vysokého učení technického v Brně. Vzorky pro experiment pochází z bloků motoru, které byly odlity tlakovým litím, případně na ně byla aplikována metoda lokálního dotlaku. Klíčová slova Porezita, vysokotlaké lití, lokální dotlak, mechanické vlastnosti, AlSi9Cu3. Abstract The aim of this bachelor s thesis is to theoretically describe porosity problems of casts of aluminium alloys that are made via die casting technology. The thesis is focused on influence of porosity on mechanical properties of casts. Theoretical dependencies were verified in experiment, which is based on new measured data and data witch were taken from diploma theses and science articles written by other students of the University of Technology in Brno. The samples used in experiment come from engine blocks, which were made by technology of die casting or die casting with local squeeze casting. Key words Porosity, die casting, local squeeze casting, mechanical properties, AlSi9Cu3. Bibliografická citace TALANDA, I. Studium hlavních faktorů, které ovlivňují jakost u technologických procesů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2010. 39 s. Vedoucí bakalářské práce prof. Ing. Jaroslav Čech, CSc.

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 4 Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Studium hlavních faktorů, které ovlivňují jakost u technologických procesů vypracoval samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených na seznamu, který tvoří přílohu této práce. V Brně dne 28. 5. 2010. Ivan Talanda

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 5 Poděkování Děkuji tímto prof. Ing. Jaroslavu Čechovi, CSc. za cenné připomínky a rady při vypracování bakalářské práce. Dále děkuji Ing. Markétě Říhové a paní Aleně Pavlicové za pomoc s vypracováním experimentální části.

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 6 Obsah Abstrakt...0 Prohlášení...4 Poděkování...5 Obsah...6 Úvod...7 1. Teoretická část...8 1.1. Metody tlakového lití slitin hliníku...8 1.1.1. Tlakové lití TL...8 1.1.2. Lití s krystalizací pod tlakem (Squeeze casting SC )...10 1.1.3. Lokální dotlak (Local squeeze casting LSC)...12 1.2. Slévárenské vlastnosti...13 1.2.1. Zabíhavost...13 1.2.2. Sklon ke vzniku staženin...13 1.2.3. Sklon k naplynění...13 1.2.4. Odolnost proti vzniku trhlin a prasklin...13 1.3. Slévárenské slitiny hliníku pro tlakové lití...13 1.3.1. Slitiny typu Al-Si...13 1.3.2. Slitiny typu Al-Si-Cu...14 1.3.3. Slitina AlSi9Cu3(Fe)...14 1.3.4. Slitiny typu Al-Si-Mg...15 1.3.5. Slitiny typu Al-Mg...15 1.3.6. Slitiny typu Al-Si-Cu-Mg...15 1.4. Vady u odlitků z Al slitin...16 1.4.1. Vady zjistitelné na makrostruktuře...16 1.4.2. Vady zjistitelné na mikrostruktuře...17 1.4.3. Vady u tlakově litých odlitků...17 1.5. Pórovitost...17 1.5.1. Příčina vzniku pórovitosti...17 1.5.2. Mechanismy vzniku plynových dutin v odlitcích...19 1.5.3. Vliv rychlosti ochlazování na pórovitost...20 1.5.4. Morfologie pórů...21 1.5.5. Metody zjišťování pórovitosti...22 1.5.6. Vliv pórovitosti na mechanické vlastnosti slitin hliníku...23 1.6. Vliv vysokotlakého lití s lokálním dotlakem na strukturu odlitku...25 2. Experimentální část...27 2.1. Výroba bloků motoru ve slévárně Škoda Auto a.s. v Mladé Boleslavi...27 2.1.1. Tavírna...27 2.1.2. Slévárna...27 2.1.3. Výroba odlitku...28 2.2. Experiment...29 2.2.1. Vzorky...29 2.2.2. Měření porezity...30 2.2.3. Grafické znázornění závislostí R m a R p0,2 jako funkcí porezity...32 Závěr...36 Seznam použitých zdrojů...37 Seznam použitých zkratek a symbolů...39

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 7 Úvod Kvalita produktů technologických procesů se silně projevuje ve schopnosti firmy konkurovat na trhu. Nekvalitní produkty způsobují odliv zákazníků a nižší zisky firmy. Je tedy nezbytné sledovat jakost výrobků, zabývat se tím jak některé vady vznikají, snažit se jim zamezit nebo je dostat do akceptovatelných mezí. Zlepšovat jakost často znamená upravovat technologické procesy. Jednou z technologií výroby odlitků, která je dnes ve velké míře využívána a má nezastupitelnou roli ve velkosériové výrobě, je právě tlakové lití. Tvoří 50 % produkce odlitků z neželezných slitin litých do trvalých forem. Vysoká produktivita, minimální přídavky na obrábění, možnost předlití děr, velké procento využitého materiálu, kvalitní povrch, vysoké mechanické vlastnosti a řada dalších pozitivních aspektů ve spojení s použitím neželezných slitin o nízké měrné hmotnosti přímo předurčuje tuto technologii pro aplikace v automobilovém a leteckém průmyslu. Nejčastěji tlakově litými slitinami jsou slitiny na bázi hliníku, hořčíku a zinku. Odlitky ze slitin hliníku jsou schopny pracovat za vysokých teplot (zhruba do 350 C), mají lepší odolnost proti korozi než slitiny hořčíku a disponují dobrými slévárenskými a mechanickými vlastnostmi. Jejich technologie tlakového lití má dlouholetou tradici a je poměrně dobře zvládnuta. Nejen proto patří slitiny hliníku k nejpoužívanějším slitinám pro tlakové lití [1,2,3]. Současným trendem je vyrábět automobily s co nejmenší spotřebou, proto se také dostává tak velkému uplatnění metody tlakového lití ve spojení se slitinami hliníku. Výsledný produkt, například automobil, je díky aplikaci této technologie lehčí a parametry jako spotřeba pohonných hmot a zrychlení jsou pro zákazníka daleko zajímavější. Mezi typické tlakově lité odlitky v oblasti automobilového průmyslu patří skříně převodovek, skříně spojek, bloky spalovacích motorů, lité disky kol, víka, písty spalovacích motorů, v poslední době i různé bezpečnostní výztuhy a konstrukční uzly karoserií. Jakost u odlitků z hliníkových slitin zhotovených metodou tlakového lití je ovlivněna mnoha faktory. Do procesu výroby odlitku vstupují prakticky při každém kroku (návrh odlitku, tavení a rafinace slitiny, odlévání). Některé z faktorů, které mohou zapříčinit vznik neshodného odlitku, se dají poměrně dobře ovlivňovat, jiné jsou ovlivnitelné naopak vcelku obtížně. Jeden z činitelů, který se ve velké míře negativně projevuje v kvalitě odlitku a je pro metodu tlakového lití typický, je pórovitost. Její neblahý účinek na jakost odlitku vedl k rozhodnutí ji v této práci blíže prostudovat, zjistit souvislosti mezi pórovitostí a mechanickými vlastnostmi a tyto zjištěné vztahy ověřit krátkým experimentem založeným na vzorcích tlakově lité struktury, odebraných z produktu charakteristického pro automobilový průmysl, tj. hliníkového bloku spalovacího motoru. V teoretické části je blíže rozebrána metoda tlakového lití, lití s krystalizací pod tlakem (Squeeze casting) a metoda lokálního dotlaku (Local squeeze casting). Pojednáno je i o některých slévárenských vadách a slitinách pro tlakové lití. Blíže je rozebrána slitina AlSi9Cu3, ze které jsou vyrobeny vzorky pro experiment. Další kapitola se zabývá vznikem pórovitosti, faktory, které ovlivňují její množství, metodami jejího zjišťování a jejím vlivem na mechanické vlastnosti. Poslední část je věnována účinku vysokého tlaku při tuhnutí tavenin na konečnou strukturu odlitku. Experimetální část se zabývá původem vzorků, jejich přípravou na měření porezity, samotným měřením a následným vyhodnocením vlivu pórovitosti na mechanické vlastnosti.

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 8 1. Teoretická část 1.1. Metody tlakového lití slitin hliníku V automobilovém průmyslu se uplatňují zejména tři následující metody tlakového lití. Všechny se vyznačují použitím trvalých kovových forem. 1.1.1. Tlakové lití TL Tlakové lití je jednou z nejčastěji používaných technologií pro výrobu odlitků ze slitin hliníku. Princip je založen na vstřikování roztavené slitiny do formy pod vysokým tlakem v rozmezí 400 1000 bar cm -2. Proudění taveniny při plnění dosahuje rychlosti 10 100 m s -1. Tento způsob lití umožňuje výrobu tvarově velmi složitých odlitků o tloušťce stěn 1 2 mm při použití určitých slitin i menší tloušťky než 1 mm. Odlitky dosahují vysokých rozměrových přesností a velmi kvalitního povrchu. Tvar odlitku musí umožnit rozebrání většinou dvoudílné formy a vytažení volných částí jader. Jádra lze použít pouze kovová. Technologie umožňuje vkládání kovových zálitků do formy. Formy pro tlakové lití jsou často složité, jejich výroba je velmi časově, technicky a finančně náročná [1,4,5]. Stroje na lití pod tlakem se vyrábějí buď s tzv. studenou nebo s teplou komorou. Plnící komora může být umístěna vertikálně, nebo horizontálně. Do vybavení stroje může patřit zařízení na vakuování licí formy, díky kterému se sníží naplynění odlitku. Jedním z hlavních parametrů strojů je uzavírací síla formy, která se pohybuje mezi 50 40 000 kn. Pro vysokou roční spotřebu odlitků (nad 30 000 kusů ročně a více) je vhodný provoz licího centra s plně automatickým licím cyklem. [6,7] Stroj s teplou komorou Jeho specifickým znakem je, že se plnící komora nachází přímo v kelímku udržovací pece a to pod hladinou taveniny. Takové uspořádání zaručuje plnění komory bez kontaktu s okolní atmosférou a tím zabraňuje její oxidaci a vzniku vměstků. Licí cyklus začíná zvednutím pístu do horní úvrati, čímž se otevře plnící otvor a do komory nateče tavenina. Pohybem pístu směrem dolů se uzavře plnící otvor a tavenina je vstříknuta přes husí krk a trysku do dutiny formy. Tlak je udržován po celou dobu tuhnutí odlitku. Celá plnící soustava je dlouhodobě vystavena vysokým teplotám, které vedou ke vzniku koroze. Tyto stroje se tedy používají na lití slitin s nízkou teplotou likvidu, jako jsou slitiny zinku, olova, cínu, případně hořčíku. Celý proces je rychlejší než u strojů se studenou komorou, a proto je tedy produktivnější [1,6]. Obr. 1.1 Schéma vysokotlakého licího stroje s teplou vertikální komorou [6]

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 9 Stroj se studenou komorou Na rozdíl od stroje s teplou komorou je plnící komora umístěna mimo udržovací pec a roztavený kov se do ní dopravuje dávkovacím zařízením těsně před samotným vstříknutím do dutiny formy. Licí cyklus je jinak obdobný jako u strojů s teplou komorou. Množství kovu musí být přesně odměřeno, tzn. musí ho být právě tolik, aby vyplnil dutinu formy a vtokovou soustavu. Nevýhodou je, že je tavenina vystavena okolní atmosféře, a proto může dojít ke vzniku oxidických vměstků, které v odlitku působí jako koncentrátory napětí. Vniknutí oxidických vměstků do odlévané taveniny se dá zčásti zabránit odebíráním taveniny ze dna udržovací pece. Důležitou částí licího cyklu je fáze, při které se píst vstřikovacího zařízení pohybuje válcem a tlačí před sebou taveninu. Rychlost pístu by měla být právě taková, aby se tavenina před pístem zbytečně nepřevalovala a neuzavírala do sebe vzduch. Této rychlosti říkáme kritická. Uzavřený vzduch v tavenině vede ke vzniku bublin a tím pádem k produkci neshodných odlitků. Studené komory se využívá zejména při lití slitin hliníku. Ve velké míře je této metody využíváno například v automobilce Škoda Auto a.s. v Mladé Boleslavi [1,6]. Licí cyklus se podle [6] dá rozdělit na čtyři následující fáze: 1. fáze: Píst plnícího zařízení se pohybuje válcem, uzavře plnící otvor a tlačí před sebou přesně odměřené množství taveniny. Tlak vyvolaný na kov je poměrně malý, pouze takový, aby stačil na překonání odporu, který je vyvolaný prouděním kovu v licí komoře. 2. fáze: Dochází k plnění kovové formy. Tavenina prochází vtokovou soustavou a díky velkému tření roste její teplota. Plnící píst se pohybuje maximální rychlostí. 3. fáze: Forma se plní taveninou díky metalodynamickému tlaku. Tlak je zvýšen na maximální hodnotu. 4. fáze: Dutina formy je zcela vyplněna, tavenina se přestává pohybovat. Dochází k dotlačení taveniny pomocí tzv. multiplikátoru, který způsobí rychlé zvýšení tlaku. Připojuje se na plnící píst. Na tuto fázi může navázat lokální dotlak razníky (Local squeeze casting), viz kapitola 1.1.3. Obr. 1.2 Schéma vysokotlakého licího stroje s horizontální studenou komorou [6]

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 10 Výhody a nevýhody tlakového lití výhody: - pozitivně ovlivňuje výkonové parametry finálního výrobku díky nízké měrné hmotnosti hliníkových slitin (2,6 2,8 kg cm -3 ) - jedná se o proces s velmi vysokou produktivitou - odlitky je možno vyrobit v úzkých rozměrových tolerancích, z čehož plynou úspory při dokončovacích operacích finálních výrobků (zejména při obrábění) - umožňuje snadné dosažení potřebných rozměrů u odlévaných otvorů, dále výrobu tvarově složitých součástí a tenkostěnných odlitků (od 0,5 mm) - povrch odlitků je hladší a vzhledově příjemnější než u gravitačně litých odlitků - odlévaný materiál je poměrně dobře využit (60 80 %), zbytek materiálu je přetavitelný odpad (vtoky a přetoky) - náklady vynaložené na zřízení tlakové licí linky se u velkosériové výroby zpravidla brzy navrátí - při použití stejných slitin je touto technologií dosaženo vyšší pevnosti než u lití do pískových forem [1,7]. nevýhody: - odlitky jsou vždy pórovité, míra pórovitosti roste se zvětšující se tloušťkou stěny, ale lze ji udržet v přijatelných mezích - maximální velikost odlitků je omezena velikostí licího stroje (maximální hmotností kovu a uzavírací silou) - náklady na zřízení provozu tlakového lití jsou značně vysoké - pro provoz je nutná kvalifikovaná obsluha - důsledkem rychlého proudění taveniny může být turbulentní proudění, při kterém se do taveniny uzavírají plyny [1,7]. 1.1.2. Lití s krystalizací pod tlakem (Squeeze casting SC ) Jedná se o moderní metodu, která využívá výhod pomalého plnění kovové formy taveninou a vysokého tlaku při tuhnutí [1]. Rozeznáváme přímý a nepřímý squeeze casting. Lití s krystalizací pod tlakem je dále označováno zkráceně SC. Přímé lití s krystalizací pod tlakem U přímého squeeze castingu je přesně odměřené množství taveniny dávkováno do spodní části otevřené formy (raznice) na stole hydraulického lisu. Forma je předehřívána. Kov se uzavírá pohybem beranu lisu, na kterém je upevněna horní část formy (razník). Lis vyvine v tavenině krystalizační tlak, který působí po celou dobu tuhnutí. Při plnění formy nedochází k turbulentnímu proudění, čím se omezí uzavírání plynu v tavenině. Objemové změny taveniny při tuhnutí, se díky značné tuhosti formy projeví jen v axiálním směru a jsou okamžitě kompenzovány beranem lisu. Výsledkem je odlitek s velkou hustotou a prakticky nulovou pórovitostí. Metoda je vhodná pro výrobu masivních odlitků [1].

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 11 Obr. 1.3 Schéma přímého lití s krystalizací pod tlakem [1] Nepřímé lití s krystalizací pod tlakem U nepřímého squeeze castingu se jedná o podobný proces jako u tlakového lití se studenou komorou. Hlavním rozdílem jsou bohatě dimenzované zářezy, které umožňují plnění kovové formy taveninou rychlostí řádově 0,5 m s -1. Studená plnící komora, do které se dávkuje tavenina, je umístěna horizontálně pod vlastní kovovou formou. Díky širokým zářezům proudí kov laminárně. Lisovací tlak většinou dosahuje hodnot z rozmezí 80 110 MPa. Na rozdíl od přímého squeeze castingu je u nepřímého daleko vyšší ochlazovací rychlost (plnící komora není předehřívána), tím pádem je výsledná struktura jemnozrnnější [1,5]. Obr.1.4 Schéma nepřímého lití s krystalizací pod tlakem [1] Výhody a nevýhody lití s krystalizací pod tlakem SC oproti tlakovému lití Výhody: - mají vyšší celistvost, minimální až žádnou pórovitost - je možné je svářet a tepelně zpracovávat - mají lepší mechanické vlastnosti (pevnost, tažnost, vrubová houževnatost, únavové vlastnosti) - jsou pneumaticky tlakově nepropustné - nepřímým SC lze odlévat součásti s tenčími stěnami a větší složitostí - u přímého SC nejsou zapotřebí nálitky a vtokové soustavy - formy jsou méně namáhány erozivními pochody - jsou zachovány veškeré výhody vysokotlakého lití, viz kapitola 1.1.1 [1,5]. Nevýhody: - vtokové soustavy u přímého SC se kvůli své masivnosti musí odstraňovat na pilách, tento způsob je méně produktivní než ostřihování na lisech, které se provádí u nepřímého SC - vysoké licí teploty způsobují větší tepelné namáhání formy [1,5].

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 12 Technologické aplikace lití s krystalizací pod tlakem SC Tato metoda se nejčastěji používá v automobilovém průmyslu, kde má široké uplatnění: - bloky, písty a ojnice spalovacích motorů - lité disky kol osobních automobilů, pojezdová kola pásové techniky - ozubená kola a skříně pro ozubená kola - různé držáky, čepy, nosníky [1,5]. 1.1.3. Lokální dotlak (Local squeeze casting LSC) Je poměrně nová metoda uplatňující se zejména v automobilovém průmyslu, který klade stále vyšší požadavky na mechanické vlastnosti odlitků z lehkých slitin. Lokální dotlak LSC nese některé rysy dvou předchozích metod TL a SC. Úvodní část licího cyklu je prakticky totožná s technologií tlakového lití, tzn. dutina kovové formy je pod tlakem naplněna taveninou. Dá se říci, že tato metoda je spíše dodatečným vylepšením metody vysokotlakého lití. Odlišnost spočívá v aktivaci razníků, které lokálně zvýší tlak v tuhnoucím odlitku a tím příznivě ovlivní jeho strukturu a mechanické vlastnosti v blízkém okolí místa umístění razníků ve formě. Navýšení tlaku trvá po celou dobu tuhnutí odlitku, jeho nárůst je velmi rychlý. Příkladem oblasti aplikace LSC, např. u odlitku bloku spalovacího motoru, mohou být místa, ve kterých jsou umístěna ložiska klikové hřídele. Zvýšením tlaku dojde k těmto pozitivním jevům : - snížení pórovitosti - zvýšení rozměrové přesnosti - téměř úplnému zamezení mikrostaženin - dochází k rozlámání hrubých dendritů, ze kterých se následně stanou nukleační zárodky pro krystalizaci - značně se zvyšuje koeficient přestup tepla z taveni do formy [6] Výhody a nevýhody lokálního dotlaku LSC Výhody: - vyšší mechanické vlastnosti - jemnozrnnější struktura - omezení pórovitosti - výborná tvarová rozměrová přesnost - tlakotěsnost odlitků [6]. Nevýhody: - vysoké náklady na pořízení, provoz a následný servis zařízení - nižší životnost forem než u klasického TL - omezená životnost razníků [6]. Obr. 1.5 Razník pro vyvození lokálního dotlaku [6]

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 13 1.2. Slévárenské vlastnosti Jedná se o vlastnosti, které ovlivňují proces odlévání. Hlavním faktorem, který ovlivňuje tyto vlastnosti, je šířka intervalu tuhnutí, závisející na chemickém složení dané slitiny. Slitiny blížící se složení čistého kovu nebo eutektiku mají dobré slévárenské vlastnosti. Vyloženě špatné slévárenské vlastnosti mají slitiny o složení, které se nachází mezi čistým kovem a eutektikem. Široký interval tuhnutí má za následek špatnou zabíhavost, vznik staženin a mikrostaženin [1]. 1.2.1. Zabíhavost Určuje do jaké míry je tekutý kov schopen zatéct do dutin formy. Závisí především na šířce intervalu tuhnutí slitiny. Obecně řečeno, čím širší pásmo tuhnutí slitiny, tím horší zabíhavost. Ovlivňuje ji smáčivost formy, modifikace taveniny, povrchové napětí a přítomnost oxidických vměstků. Na rozdíl od tekutosti závisí zabíhavost na viskozitě jen částečně, a proto je třeba tyto dvě vlastnosti rozlišovat [1]. 1.2.2. Sklon ke vzniku staženin Je způsoben teplotní roztažností kovu a popisuje objemové množství kovu, které ubude během tuhnutí. Projevuje se vznikem staženin a ředin. Slitiny se složením blížícím se eutektickému mají sklon ke vzniku soustředěných staženin, takže je snadné zamezit jejich vzniku nálitkováním. Obtížně se nálitkují slitiny s širším dvoufázovým rozhraním, jejichž staženiny jsou rozptýlené, a odlitky se tudíž vyznačují zhoršenou těsností [1]. 1.2.3. Sklon k naplynění Je způsoben rozpustností plynů v tavenině a je příčinou vzniku bublin v odlitku. Rozpustnost plynu v kovech narůstá s teplotou. Sklon k naplynění je ovlivněn přítomností některých prvků [1]. Podrobněji je tato problematika rozebrána v kapitole o pórovitosti tzn. v kapitole 1.5. 1.2.4. Odolnost proti vzniku trhlin a prasklin Důsledkem smršťování odlitku při tuhnutí je vznik napětí v materiálu. Odolnost proti vzniku trhlin je proto velmi důležitou vlastností, která je nepostradatelná u odlitků s tuhou konstrukcí, u tvarově složitých odlitků a u odlitků s proměnnými tloušťkami stěn [1]. 1.3. Slévárenské slitiny hliníku pro tlakové lití Slitiny pro odlévání pod tlakem jsou uspořádány dle [1,6] obsahu legujících prvků do následujících pěti skupin. 1.3.1. Slitiny typu Al-Si Jedná se o slitiny hliníku s nepříliš velkým uplatněním ve slévárenství. Tyto slitiny mají dobré slévárenské vlastnosti, mechanické jsou poněkud horší. Vyznačují se dobrou korozivzdorností, svařitelností, těsností vůči kapalinám a plynům, ale jen průměrnou obrobitelností. Binární siluminy se na odlitky používají jen v malé míře, zejména kvůli horším mechanickým vlastnostem. Uplatnění nacházejí jako materiál na pájky. Pro mechanicky namáhané odlitky se používají slitiny s jedním nebo více přísadovými prvky (Cu, Mg), viz. kapitola 1.3.2.

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 14 Jsou vhodné jak pro tlakové lití, tak pro lití do pískových či kovových forem. Při lití do pískových forem dochází ke vzniku hrubší struktury a tím pádem ke zhoršení mechanických vlastností. U tlakového a kokilového lití je vzniklá struktura jemná. Za dobré slévárenské vlastnosti vděčí siluminy právě křemíku, který zmenšuje interval tuhnutí. Čím více se obsah křemíku blíží eutektickému složení, tím jsou slévárenské vlastnosti lepší. Dalším pozitivním jevem přítomnosti křemíku je redukce objemového stažení při chladnutí. Křemík při chladnutí zvětšuje svůj objem, čímž do jisté míry vyrovnává objemový úbytek hliníkové matrice [1,4,6,8]. 1.3.2. Slitiny typu Al-Si-Cu V daleko větší míře se používají slitiny typu Al-Si-Cu. Jsou používány obzvláště v automobilovém průmyslu pro lití pod tlakem, kde tvoří zhruba polovinu vyprodukovaných odlitků. Mezi typické představitele patří slitiny AlSi8Cu3 nebo AlSi9Cu3. Obsahují obvykle 6 13 % Si a 1 5 % Cu, takže se jedná převážně o slitiny podeutektické. Přítomnost mědi zlepšuje mechanické vlastnosti a obrobitelnost (lámavé třísky), ale zhoršuje korozivzdornost, která i tak zůstává na dostačující úrovni. Odlitky z těchto slitin není nutné tepelně opracovávat, protože vyšší obsah mědi způsobuje do jisté míry samovolné vytvrzení za studena. Vytvrzení se zintenzivňuje s přesyceností tuhého roztoku α(al) a trvá několik dní. Přísada mědi taktéž zmenšuje objemový úbytek kovu a zvyšuje tak nepropustnost odlitků. Nespornou výhodou odlitků z těchto slitin je schopnost pracovat za vyšších teplot, tzn. 200 350 C. V následující kapitole je blíže rozebrána silitna AlSi9Cu3 [1,4,6,8]. 1.3.3. Slitina AlSi9Cu3(Fe) Je velmi často používaná slitina, bývá označována jako univerzální. Je typická velmi dobrou slévatelností, obrobitelností, středními mechanickými vlastnostmi a pevností za vyšších teplot. Vyšší obsah křemíku zaručuje dobrou zabíhavost a společně s mědí zamezuje vzniku soustředěných staženin. Modifikace se doporučuje pro lití do pískových forem. Slitina po odlití do kovové formy nevyžaduje tepelné zpracování, jelikož u ní dochází k samovolnému vytvrzení. Tento jev bývá zesílen, pokud se zvýší obsah hořčíku. Využívá se zejména v automobilovém průmyslu na odlitky bloků motorů, hlav válců, skříní a vík, ale i v elektrotechnickém průmyslu na části elektromotorů. Chemické složení a mechanické vlastnosti této slitiny jsou uvedeny v následujících tabulkách [4,6]. Tab. 1.1 Chemické složení slitiny AlSi9Cu3(Fe) dle normy DIN EN 1706 [6] Chemické složení v hmotnostních procentech Al Si Cu Mg Mn Fe Zn Ni Sn Cr Ti Pb 8,5 2,0 0,1 0,1 max. max. max. max. max. max. max. zbytek 10,0 3,5 0,5 0,4 1,0 1,2 0,3 0,1 0,05 0,15 0,2

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 15 Tab. 1.2 Mechanické vlastnosti slitiny AlSi9Cu3(Fe) [6] Mechanické vlastnosti slitiny AlSi9Cu3(Fe) dle normy DIN EN 1706 * Mez pevnost v tahu R m [MPa] Mez 0,2 Rp 0,2 [MPa] Tažnost A [%] Tvrdost podle Brinella [HB] 240 140 < 1 80 * pozn. hodnoty určené normou jsou informativní 1.3.4. Slitiny typu Al-Si-Mg Obsah hořčíku u těchto slitin je 0,25 0,45 %. Jedním z důvodů jeho přítomnosti je možnost pozdějšího vytvrzování za tepla. Nevytvrzené odlitky mají jen průměrné mechanické vlastnosti, vytvrzené mají mechanické vlastnosti daleko vyšší. Zvýšení R m, R p0,2 a HB má negativní dopad na tažnost. Hořčík taktéž zlepšuje obrobitelnost. Používají se tam, kde jsou kladeny vysoké nároky na odolnost vůči mechanickému namáhání, tzn. automobilní a letecký průmysl. Mechanické vlastnosti jsou poněkud horší než u slitin Al-Si-Cu. Typickým výrobkem je vysokorychlostní dmychadlo [1]. 1.3.5. Slitiny typu Al-Mg Jsou to slitiny, které se pro technické aplikace používají jen v malé míře. Příměs ve formě zhruba 1 % Si způsobí vznik sloučeniny Mg 2 Si, která umožňuje pozdější vytvrzování. Zvyšující se obsah hořčíku ve slitině způsobuje rozšíření dvoufázového pásma tuhnutí, což vede ke zhoršení slévárenských vlastností. Slitiny Al-Mg se dělí dle obsahu hořčíku na slitiny s 3, 5 a 9 % Mg, přičemž slitina s 9 % Mg se používá výhradně pro tlakové lití právě pro velmi špatné slévárenské vlastnosti. Tažnost těchto slitin je vyšší než u běžných siluminů, ale ostatní mechanické vlastnosti jsou horší. Hlavní výhodou je velmi dobrá korozivzdornost, obrobitelnost a leštitelnost. Tyto slitiny jsou tedy předurčené zejména pro použití v chemickém průmyslu, při stavbě lodí a na dekorativní účely [1]. 1.3.6. Slitiny typu Al-Si-Cu-Mg Vyznačují se vynikající otěruvzdorností, malou teplotní roztažností, velkou tepelnou vodivostí, dobrými mechanickými vlastnostmi za zvýšených teplot a dobrou slévatelností. Jejich nevýhodou je nízká odolnost vůči korozi, nízké plastické vlastnosti a špatná mechanická obrobitelnost [1,4].

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 16 Tab. 1.3 Orientační hodnoty mechanických vlastností pro vybrané zástupce jednotlivých skupin při použití metody tlakového lití [4,8,9] Mechanické vlastnosti vybraných zástupců jednotlivých skupin slitin Označení skupiny slitin Zástupce pro danou skupinu dle ASM Smluvní mez kluzu R p0,2 MPa Pevnost v tahu R m MPa Tažnost A % Vhodnost použití slitiny Al-Si AA 443.0 110 228 9 Al-Si-Cu AA 380.0 165 330 3 Al-Si-Mg AA 360.0 172 324 3 Al-Mg AA 518.0 186 310 8 Al-Si-Cu-Mg AA 390.0 241 279 1 hlavy válců, kompresory, pumpy bloky motorů a skříně převodovek střídavě namáhané velké odlitky korozivzdorné namáhané odlitky písty namáhané za zvýšených teplot 1.4. Vady u odlitků z Al slitin Vady u odlitků obecně jsou nedílnou součástí slévárenství. Jejich výskyt i přes veškerou snahu je odstranit je způsoben velkým množstvím faktorů, které do procesu odlévání vstupují. Některé z faktorů se dají vcelku efektivně podchytit, u jiných je to velmi obtížné. Podle [4] se vady u odlitků dělí na zjistitelné na makrostruktuře a mikrostruktuře. 1.4.1. Vady zjistitelné na makrostruktuře Na makrostruktuře lze odhalit pouze velké strukturální vady, to znamená vady o rozměrech větších než 100 µm (trhliny, velké vměstky). Vzorek pro vyhodnocení těchto vad se připravuje obvykle obráběním a leptáním. Velkou výhodou je, že se tímto způsobem dají poměrně efektivně kontrolovat velké plochy nebo celé polotovary a to i v mezioperacích, kdy je neshodný odlitek vyřazen a jsou ušetřeny náklady na další operaci. V některých případech nestačí vadu vyhodnotit makroskopicky, ale je třeba udělat podrobnější mikroskopický rozbor. Zjišťování se provádí lupou, nebo vizuálně zrakem [4]. V publikaci [4] se slévárenské makroskopické vady dělí takto: - studené spoje - povrchové a vnitřní trhliny, praskliny - naplynění porezita - makroskopické vměstky

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 17 - odmíšení (gravitační či pásmové) - staženiny, řediny - nehomogenní zrno 1.4.2. Vady zjistitelné na mikrostruktuře Valnou většinou těchto vad jsou vměstky, tzn. cizorodé částice nerozpustné v hliníku. Velikost vměstků se pohybuje od několika µm do mm a dělíme je podle původu vzniku na endogenní (oxidy, karbidy, nitridy, boridy) a exogenní (úlomky vyzdívky, části jader). Zejména vměstky oxidu hlinitého je velmi těžké odstranit, protože jejich měrná hustota je téměř totožná s měrnou hustotou Al, díky čemuž vměstky volně plují v tavenině [4,10]. 1.4.3. Vady u tlakově litých odlitků Proces tlakového lití je charakteristický vadami, které ho doprovází. Dělení vad podle [6] je na následujicím obrázku 1.6. Vady u tlakově litých odlitků Vnitřní vady: a) porezita b) objemová staženina c) vměstky Povrchové vady: a) zavalenina (studený spoj) b) zadřenina c) prasklina d) trhlina e) puchýře Tvarové vady: a) vpadlý tvar b) deformace odlitku c) nedolitý odlitek d) zalomený tvar e) ulomené jádro f) poškozený odlitek g) nedodržený rozměr 1.5. Pórovitost Obr.1.6 Rozdělení vad u tlakově litých odlitků Je velmi častou, obtížně odstranitelnou, vnitřní slévárenskou vadou. Odráží se v jakosti výsledného odlitku, způsobuje vznik zmetků, a proto se jí snažíme co nejvíce zamezit. 1.5.1. Příčina vzniku pórovitosti Pórovitost vzniká následkem zmenšující se rozpustnosti plynů v tavenině Al s klesající teplotou. V 97 % případů se jedná o vodík. Vodík s hliníkem netvoří sloučeniny a zůstává v atomárním stavu. Průběh rozpustnost vodíku ve slitinách Al-Si je vidět v následujícím grafu, viz obr. 1.7. Tato kapitola je zpracována z [1,10,11].

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 18 Obr. 1.7 Průběh rozpustnosti vodíku v hliníku a v slitinách Al-Si v závislosti na teplotě [1] Rozpustnost vodíku v hliníku s rostoucí teplotou mírně narůstá až do teploty tavení Al. Po překročení této teploty naroste rozpustnost skokově. Jak je uvedeno v [10], těsně před přechodem do tekutého stavu je rozpustnost plynu 0,05 cm 3 H 2 (100 g Al) -1. Po přechodu do tekutého stavu naroste rozpustnost na 0,4 cm 3 H 2 (100 g Al) -1. Následně, se zvyšující se teplotou, rozpustnost opět narůstá a to zhruba na dvojnásobek, při ohřátí o 100 C. Z toho vyplývá, že při opačném ději, tedy při ochlazování taveniny, musí rozpuštěný vodík difundovat z taveniny do okolí a to ve velkém množství. Pokud je ochlazovací rychlost malá, vodík má dostatek času na difuzi a vytváří vodíkové bubliny. Je-li ochlazovací rychlost velká, není pro difuzi dostatek času, vodík zůstane uzavřen ve struktuře kovu a vytvoří přesycený tuhý roztok. Přesycené tuhé roztoky jsou obecně nestabilní. Pokud zvýšíme teplotu na potřebnou míru, dojde k dokončení difuze a opět vzniknou vodíkové bubliny. Při dané teplotě je rozpustnost vodíku v Al závislá na parciálním tlaku vodíku v okolní atmosféře. Tato závislost je popsána Sievertsovým vztahem: S = K S p H 2 (1.1) kde: S... rozpustnost vodíku [cm 3 H 2 (100 g Al) -1 ] K S... konstanta pro daný kov [cm 3 H 2 (100 g Al) -1 Pa -1/2 ] p H2... parciální tlak plynu v okolní atmosféře [Pa] Rozpustnost vodíku v hliníkových slitinách je také ovlivněna přísadovými prvky. Podporují ji prvky jako Mg, Ti, Fe, Cr, naopak prvky jako Cu, Si, Mn a Ni tomuto ději zamezují, ne však úplně. Vodík se do taveniny dostává zejména z okolní vlhkosti. Před použitím je tedy nutné dokonale vysušit veškeré suroviny, části pece a nástroje, které se dostanou do kontaktu s taveninou. Dále je nutno podotknout, že porezita nevzniká pouze díky změně rozpustnosti vodíku v Al, ale je často následkem turbulentního proudění taveniny při plnění formy, kdy je část vzduchu nad taveninou do ní uzavřena [1,10,11].

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 19 1.5.2. Mechanismy vzniku plynových dutin v odlitcích Plynové dutiny v odlitcích mohou vzniknout dvěma různými mechanizmy. Jedná se o mechanizmus homogenní a heterogenní nukleace plynné fáze v tavenině. Homogenní nukleace Je méně pravděpodobná než heterogenní nukleace. Základní předpoklad pro vznik plynové bubliny homogenní nukleací popisuje následující vztah: ph 2 > patm + p met + p σ (1.2) kde: p H2... tlak ve vodíkové bublině [Pa] p atm... atmosférický tlak [Pa] p met... metalostatický tlak [Pa] p σ... tlak vyvolaný povrchovým napětím [Pa] Největší význam je přikládán tlaku vyvolanému povrchovým napětím, který se například pro bublinu kulovitého tvaru vypočte dle vztahu: kde: p σ... tlak vyvolaný povrchovým napětím [Pa] σ... povrchové napětí na rozhraní tavenina-bublina [N m -1 ] r... poloměr bubliny [m] (1.3) Z předchozího vztahu vyplývá, že pro vznikající bublinu, jejíž poloměr se blíží nule, se tlak vyvolaný povrchovým napětím blíží nekonečnu. Jak uvádí [1], jsou tlaky potřebné pro homogenní nukleaci řádově 3000 5000 MPa, z čehož je patrná již zmíněná malá pravděpodobnost nukleace tímto mechanizmem [1]. Heterogenní nukleace p σ = 2 r Nukleace zárodku se v tomto případě uskutečňuje na tuhé částici. Samotný vznik zárodku bubliny závisí na jednotlivých povrchových napětích mezi plynem, tuhou částicí a taveninou. O vhodných podmínkách pro nukleaci rozhoduje kontaktní úhel θ, který se určí z poměru jednotlivých povrchových napětí: kde: σ z-t... povrchové napětí mezi zárodkem a taveninou [N m -1 ] σ z-p... povrchové napětí mezi zárodkem a plynem [N m -1 ] σ p-t... povrchové napětí mezi plynem a taveninou [N m -1 ] σ σ cos Θ = (1.4) Cizí zárodky jejichž kontaktní úhel θ > 90, tzn. člen σ z-t je malý, jsou pro vznik bublin vhodné a říkáme, že nejsou smáčivé. Typickými představiteli takových cizích zárodků jsou oxidické vměstky. Během tuhnutí dochází k nukleaci bublin nejen na vměstcích, ale i na povrchu vznikajících krystalů tuhé fáze. Situace je znázorněna na obrázku 1.8. z t σ σ p t z p

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 20 Obr. 1.8 Tvorba plynové bubliny na cizím zárodku [1] Tvorba bublin je také podpořena skutečností, že vznikající tuhá fáze ze sebe vylučuje vodík (díky malé rozpustnosti H v tuhé fázi) a obohacuje jím taveninu, se kterou je v kontaktu. V tavenině se tím pádem zvyšuje parciální tlak p H2 a nukleace bubliny je tím podpořena. Dalším vhodným místem pro vznik bublin jsou mikrostaženiny. Ty se tvoří, pokud vzniknuvší tuhá fáze uzavře malý objem taveniny. V tomto objemu dojde vlivem teplotní roztažnosti k vytvoření podtlaku, čímž se podle vztahu 1.1 sníží rozpustnost vodíku a zlepší se podmínky pro tvorbu bublin. Ve většině případů dochází k současnému vzniku bublin i mikrostaženin [1]. 1.5.3. Vliv rychlosti ochlazování na pórovitost Pomalé ochlazování Ochlazujeme-li taveninu pomalu, vodík difunduje z tuhé fáze a ta se dostává na rovnovážnou hodnotu rozpustnosti. Difundovaný vodík proniká taveninou na větší vzdálenosti a vytváří velké bubliny. Tento jev můžeme pozorovat u silnostěnných odlitků, litých do pískových forem. Pokud se na povrchu takového odlitku vytvoří tuhá krusta, nemá vodík možnost uniknout mimo odlitek a vytváří pod ztuhlou povrchovou vrstvou velké bubliny [1]. Rychlé ochlazování Rychlejším ochlazováním dosáhneme většího přesycení tuhého roztoku vodíkem. Do taveniny uniká méně vodíku, plynových bublin je tedy méně. Vodík v tavenině proniká na menší vzdálenosti než při pomalém ochlazování a vytváří se menší bubliny. Pokud je bublina plynu zcela obklopena pevnou fází, dojde ke vzniku mikrostaženiny. Rychlé ochlazování je typické pro lití tenkostěnných odlitků do kovových forem. Skutečnost vlivu rychlosti ochlazování na pórovitost je vidět v následujícím obrázku 1.9 [1].

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 21 Obr. 1.9 Vliv obsahu vodíku a rychlosti ochlazování na objem pórů [1] 1.5.4. Morfologie pórů Mechanické vlastnosti neovlivňuje jen množství a velikost pórů či bublin, ale i jejich tvar. Tvar pórů lze popsat dvěma faktory, přičemž první je převrácenou hodnotou druhého. Hodnoty následujících faktorů se zjišťují především z metalografických výbrusů [6]. Faktor kulatosti Velikost hodnoty s nám říká, jak je porezita tvarově rozmanitá. Pro kulatý tvar nabývá hodnoty 1. Každý jiný, tvarově složitější pór má hodnotu vyšší. Některé orientační hodnoty pro faktor kulatosti jsou uvedeny v následujícím obrázku [6]. Obr. 1.10 Orientační hodnoty faktoru kulatosti [6] Vztah pro výpočet faktoru kulatosti: s = 2 U 4 π A P 1 (1.5) kde: U... obvod plochy póru zjištěný na metalografickém výbrusu [m] A P... obsah plochy póru [m 2 ] s... faktor kulatosti [-]

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 22 Tvarový faktor Tento faktor se taktéž používá pro vyhodnocení pórů ve struktuře odlitku. Hodnotu tvarového faktoru f vypočteme dle vztahu: kde: 1 4 π AP f = = 1 (1.6) 2 s U U... obvod plochy póru zjištěný na metalografickém výbrusu [m] A P... obsah plochy póru [m 2 ] f... tvarový faktor [-] 1.5.5. Metody zjišťování pórovitosti Zjištění míry naplynění, tedy určení pórovitosti, je důležité zejména během procesu úpravy taveniny, před samotným dopravením taveniny do licího stroje. Důvod je ten, že tavenina s nevyhovující mírou naplynění může být dodatečně upravena tak, aby splňovala dané požadavky. Metody měření porezity musí být snadno a rychle proveditelné za provozu slévárny a to s dostatečnou přesností [1]. K měření naplynění se používají metody, jež jsou charakterizovány v následujícím textu. Metoda první bubliny Je v praxi jen zřídka používanou metodou. Roztavený kov se nalije do zkušebního kelímku, který se vloží do tlakotěsného prostoru. Kelímek je zahříván na konstantní teplotu, při které je kov ještě v tekutém stavu. Vývěvou se odsává vzduch nad hladinou taveniny a proskleným víkem obsluha pozoruje okamžik, při kterém dojde k uvolnění první bubliny. Pro tento okamžik je odečtena hodnota tlaku. Naplynění se zjistí ze Sievertsova vztahu (rovnice 1.1). Značnou nevýhodou této metody je prakticky nemožná reprodukovatelnost měření [1]. Metoda měření hustoty kovu (metoda dvojího vážení) Základem této metody je příprava dvou vzorků. První vzorek se nechává tuhnout za atmosférického tlaku, přičemž maximální množství vodíku, které se v něm může rozpustit, je dáno Sievertsovým vztahem. Druhý vzorek se nechává tuhnout za určitého blíže definovaného podtlaku, pro jehož hodnotu je charakteristické jiné (menší) množství maximálního množství rozpuštěného vodíku. Rozdíl hustot obou vzorků, který se liší právě o rozpuštěné množství vodíku, zjistíme z vážení na vzduchu a z vážení ve vodě. Vážení ve vodě je navrženo tak, abychom přímo odečítali hmotnost vody, kterou daný vzorek svým objemem vytlačí. Známe-li hustotu vody a váhu vytlačené kapaliny, určíme objem vzorku. Hustotu vzorku vypočítáme jako podíl hmotnosti měřené na vzduchu a objemu vzorku. Objem vyloučeného plynu se určí jako rozdíl převrácených hodnot hustot vzorku odlitého za podtlaku a za tlaku atmosférického. Výstupem této metody je tzv. index hustoty (německy Dichte Index). Čím menší je index hustoty, tím čistější je tavenina. Tato metoda je ve slévárnách velmi často používána. Moderní měřící zařízení vyžadují po uživateli pouze zvážení vzorků, veškeré další výpočty provádí sami [1]. Index hustoty určíme dle vztahu 1.7.

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 23 DI ( ρvz = atm ρvz ρ vz atm vak ) 100 (1.7) kde: ρ vz-vak... ustota vzorku odlitého za podtlaku [kg m -3 ] ρ vz-atm... hustota vzorku odlitého za atmosférického tlaku [kg m -3 ] DI... index hustoty [%] Metoda Telegas Je přímá měřící metoda, založená na opakovaném proplachování taveniny hliníkové slitiny daným množstvím dusíku. Měřící část zařízení je ponořená v tavenině a skládá se z keramické porézní trysky a membrány. Z trysky probublává dusík do taveniny a pozvolna stoupá zpět k hladině, přižemž do bublin dusíku difunduje vodík v tavenině obsažený. Difuze vodíku probíhá do té doby, dokud se nevyrovná parciální tlak vodíku v tavenině a v bublině. Stoupající bubliny jsou zachytávány sondou. Porézní keramický filtr je oddělí od taveniny a umožní směsi plynů pokračovat do měřící části sondy, kde se na základě tepelné vodivosti určí míra naplynění [1]. Metoda Alscan U této metody je sondou blok z porézní keramiky, který je ponořen do taveniny. Do bloku je opět vháněn dusík, do kterého díky pórům difunduje vodík z roztaveného kovu. Směs vodíku a dusíku je z bloku odsáta a podrobena měření jako u předchozí metody. Metody Alscan i Telegas jsou poměrně rychlé (10 15 minut), ale životnost sond je vcelku malá, a proto jsou náklady na tato měření vysoké [1]. 1.5.6. Vliv pórovitosti na mechanické vlastnosti slitin hliníku Jak již bylo zmíněno výše, pórovitost je v oboru slévárenství jednou z velmi častých vad. Bez ohledu na původ vzniku negativně ovlivňuje řadu vlastností výsledného produktu a často vede k výrobě neshodného odlitku. Vady, které pórovitost způsobuje, jsou často neopravitelné [1,4]. Závislost mechanických vlastností na množství porezity je patrné z následujícího obrázku 1.11. Obr. 1.11 Závislost tažnosti a meze pevnosti na pórovitosti pro slitinu AlSi6Cu4 [1]

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 24 Ověření skutečnosti, že zvětšující se množství porezity snižuje mechanické vlastnosti, bylo provedeno také v prácích [6,12]. Byly zde stanoveny lineární závislosti popisující vztah mezi R m, R p0,2 a porezitou, přičemž bylo pro vyhodnocení použito asi 50 odlitků zhotovených metodou tlakového lití ze slitiny AlSi9Cu3. Jednotlivé závislosti vychází ze zhruba 12 14 měření a jsou ve většině případů klesající. Pro ilustraci je uvedena jedna z nich, viz obr. 1.12. Vzorky pro tento experiment byly odebrány z odlitku bloku motoru z místa 4. ložiska klikové hřídele. U některý bloků byla v tomto místě aplikována metoda LSC u jiných ne. Důvod proč bylo zvoleno právě toto místo je ten, že zde byl dostatek materiálu pro zhotovení zkušebních tyčí pro tahovou zkoušku. Tento experiment měl za cíl určit jak se změní pevnostní charakteristiky bloku motoru v případě vynechání metody LSC. Vynecháním metody LSC by se ušetřily poměrně velké finanční náklady [6,12]. 145 140 Fitted Line Plot Rp = 144,4-32,94 P S 6,77867 R-Sq 27,5% R-Sq(adj) 19,5% 135 Rp MPa 130 125 120 0,2 0,3 0,4 P 0,5 % Obr. 1.12 Experimentálně zjištěná závislost smluvní meze kluzu na porezitě pro slitinu AlSi9Cu3 [12] Mechanické vlastnosti neovlivňuje jen množství porezity, ale taktéž morfologie samotných pórů, kterou popisují tvarové faktory zmíněné v kapitole 1.5.4. Jak je uvedeno v [13], množství vnitřních kulovitých bublin, které je charakterizováno porezitou P (určena vztahem 1.11), ovlivňuje velikost napětí v nosném průřezu dané součásti. Dutiny působí jako vruby. Bylo zjištěno, že dané vnější napětí se účinkem těchto vrubů zvýší o faktor 1 (1-P), čímž se sníží pevnostní charakteristiky. Lze tedy psát experimentálně ověřenou závislost: 0,6 0,7 0 R 0,2 = R 0,2 (1 P) p p (1.8) kde: R p0,2... smluvní mez kluzu porézního materiálu [MPa] R 0 p0,2... smluvní mez kluzu materiálu bez pórů [MPa] P... porezita [%] V [13] je uvedeno, že v případě meze pevnosti v tahu je situace poněkud odlišná. Zde se právě projevuje faktor kulatosti určený vztahem 1.5. Experimentálně bylo zjištěno, že pokles meze pevnosti je navíc závislý na faktoru kulatosti vztahem 1.9.

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 25 R m = R 0 m (1 s P) (1.9) kde: R m... mez pevnosti v tahu porézního materiálu [MPa] R 0 m... mez pevnosti v tahu materiálu bez pórů [MPa] P... porezita [%] s... faktor kulatosti [-] Podle [1] pórovitost zhoršuje: - pevnostní vlastnosti porézní odlitky mají nižší pevnostní charakteristiky - únavové vlastnosti póry se v odlitku projevují jako koncentrátory napětí - těsnost hydraulická či pneumatická netěsnost je u některých odlitků nepřijatelná (do určité míry se dá opravit impregnací odlitků) - kvalitu obrobených ploch - povrchovou úpravu 1.6. Vliv vysokotlakého lití s lokálním dotlakem na strukturu odlitku V této podkapitole je shrnutý vliv vysokého tlaku na strukturu odlitku při procesu tlakového lití. Tlakové lití do kovové formy má pozitivní vliv na výslednou strukturu odltiku. Nevyhřívaná kovová forma způsobuje rychlé ochlazení taveniny. Působení vysokého tlaku dodatečně vyvolaného lokálním dolakem (LSC) zlepšuje přestup tepla mezi formou a taveninou (zamezuje totiž vzniku plynových bublin mezi formou a taveninou) [6,14]. Podle [1] vznikají u podeutektoidních slitin krystalizační zárodky heterogenní nukleací tuhé fáze v tavenině. Tento nukleační pochod závisí mimo jiné na velikosti Gibsovy aktivační energie. Počet zárodků, který začne růst, je určen právě velikostí této energie. Čím větší aktivační energie, tím více zárodků bude schopných růstu. Aktivační energie závisí na velikosti přechlazení taveniny přímo úměrně. Proto vzniká u tlakově litých odlitků jemnozrnná struktura [14], která se projevuje zlepšením mechanických vlastností oproti odlitkům litých například do pískových forem, kde je přechlazení taveniny daleko menší. Zlepšení mechanických vlastností (zvýšení odolnosti proti plastické deformaci) je patrné podle [4] z následujícího vztahu: R e = k d 1/ 2 (1.10) kde: R e... mez kluzu [MPa] d... velikost dendritické buňky [mm] k... konstanta pro daný materiál [N mm -3/2 ] Zjemnění struktury není následkem pouze zlepšení přestupu tepla mezi formou a taveninou (přechlazením), ale i přímou závislostí mezi tlakem v tavenině a kritickou velikostí zárodku. Kritická velikost zárodku je nejmenší možná velikost zárodku, který je za daných podmínek schopen dalšího růstu [15]. Závislost je patrná z následujícího obrázku 1.13. Zvýšený tlak má taktéž vliv na porezitu v odlitcích. Podle Sievertsova vztahu (1.1) se zvýšením tlaku ve formě zvýší rozpustnost vodíku, tudíž bude méně vodíku pro tvorbu bublin. O tomto bylo blíže pojednáno v kapitole 1.5.

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 26 Lokální dotlak (LSC) dále zvyšuje intenzitu výše zmíněných pozitivních jevů. Jeho další předností je schopnost rozlámat vznikající hrubé dendrity v tuhnoucí struktuře kovu a tím vytvořit nové zárodky pro krystalizaci taveniny. Výsledkem je ještě jemnější struktura v odlitku. Obr. 1.13 Závislost kritické velikosti krystalizačního zárodku na tlaku [15]

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 27 2. Experimentální část Cílem experimentu je ověřit závislosti R m a R p0,2 na porezitě, které jsou popsány v teoretické části této práce. Pro experiment bylo k dispozici 8 vzorků, které byly již v minulosti použity pro vypracování diplomové práce J. Lefnera [6]. Jedná se konkrétně o 8 metalografických výbrusů slitiny AlSi9Cu3(Fe) odebraných z několika různých bloků motoru. Vzorky byly vybrány podle výsledků [6] tak, aby vhodně demonstrovaly vliv porezity na pevnostní charakteristiky. První 4 vzorky byly odebrány z bloků motoru, při jehož výrobě byla aplikována metoda lokálního dotlaku LSC. Další 4 vzorky pochází z bloků vyrobených bez použití této metody. Vzorky byly vybírány jak z horní, tak ze spodní poloviny bloku motoru. Jelikož na vzorcích není možné zopakovat tahové zkoušky, budou použity naměřené hodnoty mechanických vlastností z diplomové práce [6]. V první kapitole je krátce popsána slévárna Škoda Auto a.s. v Mladé Boleslavi, ze které vzorky pocházejí a kterou autor této práce krátce navštívil. Další kapitoly se zabývají samotným provedením experimentu. 2.1. Výroba bloků motoru ve slévárně Škoda Auto a.s. v Mladé Boleslavi Slévárna tlakového lití hliníku ve Škoda Auto a.s. v Mladé Boleslavi je moderním provozem na špičkové úrovni. Kvalitu této slévárny potvrzuje fakt, že je generálním dodavatelem odlitků tříválcového bloku zážehového motoru o objemu 1,2 L (interní označení je EA 111 03D), pro všechny koncernové automobilky (Volkswagen, Seat a Škoda). Odlévají se zde tedy horní a dolní díly bloku atmosférického tříválcového motoru 1,2 L, dále díly bloku čtyřválcového přeplňovaného motoru 1,2 L, skříň převodovky a skříň spojky. Jedinou používanou slitinou v této slévárně je slitina AlSi9Cu3(Fe) [6]. 2.1.1. Tavírna V prostoru tavírny, která je v těsné blízkosti samotné slévárny (v podstatě jedna hala), je umístěno pět plynových šachtových tavících pecí. Jedna pec pojme 5 t vsázky a disponuje tavícím výkonem 2,5 t h -1. Vsázka je složena jak z nově nakoupených housek, tak z vratného materiálu. Všechna vsázka se vysušuje. Podíl vratného materiálu nepřesahuje 55 % celkové hmotnosti vsázky. Pro výslednou kvalitu odlitku je velmi důležité chemické složení taveniny. Proto se kontroluje při každém odpichu a případné nedostatky se upravují dolegováním předslitinou AlSi30. Dalším kontrolovaným parametrem je teplota taveniny, která se měří pyrometry. Tavenina se od tavících pecí k jednotlivým licím strojům přepravuje v pánvích, které jsou převáženy vysokozdvižnými vozíky [6]. 2.1.2. Slévárna Slévárna je vybavena tlakovými licími stroji s horizontálně umístěnou studenou komorou. Každý licí stroj má svou vlastní udržovací pec s odběrem taveniny ode dna. Pro výrobu bloků motorů je vyhrazeno 8 licích strojů. Dalších 8 je určeno pro výrobu skříní převodovek a spojek. Uzavírací síla jednotlivých strojů se liší podle typu a výrobce, pohybuje se v rozmezí 1600 2100 t. Využití materiálu při výrobě tříválcového bloku motoru je u horního dílu bloku 63 %, u spodního je to 67 % [6].

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 28 2.1.3. Výroba odlitku Zestručněný výrobní postup horního a spodního dílu bloku motoru EA 111 03D se dá rozdělit dle [6] na několik následujících kroků: 1. Tavírna: - tavení slitiny AlSi9Cu3 v plynové šachtové peci 2. Tlakové lití: - licí stroj má maximální uzavírací sílu 2100 t, maximální rychlost pohybu pístu je 10 m s -1, maximální dosažitelný tlak na taveninu při multiplikaci je 450 bar (1 bar = 0,1 MPa) - mezi každým odlitým kusem je třeba ošetřit kovovou formu, plnící píst a razníky dělícím prostředkem (mazadlem), vysušit a evakuovat formu - taveninu v udržovací peci licího stroje je třeba udržovat na požadované licí teplotě - ve vhodnou chvíli se tavenina dávkuje působením stlačeného vzduchu na hladinu kovu do komory plnícího pístu - manipulační robot vytahuje hotové odlitky z formy a předá je k dalšímu zpracování - u horní části bloku motoru jsou manipulačním robotem vloženy do ošetřené a vysušené formy litinové zálitky válců - proběhne kontrola celistvosti odlitku, následně je na olamovacím lisu odlomen vtok a ledvinky - odlitek se dostane skluzovým dopravníkem k obsluze, kde proběhne vizuální kontrola 3. Apretace odlitků: - horní část bloku motoru je frézována a ostřižena na lisu - dolní část bloku motoru je ostřižena a jsou proraženy různé blány a otvory 4. Předobrábění odlitků: - části bloku motoru jsou obráběny na automatických obráběcích linkách, následně je provedena kontrola průchodnosti otvorů a praní obrobků 5. Tepelné zpracování odlitků: - oba díly jsou stabilizačně žíhány (žíhání ke snížení zbytkového pnutí) - horní díl je zahřát na žíhací teplotu 250 C, následuje tříhodinová výdrž na této teplotě a postupné zchlazení na teplotu 45 C trvající 1,25 hod. - dolní díl se žíhá stejně jako horní, jen ochlazování je na 50 C a trvá 2 hod. 6. Tlaková zkouška: - je provedena na automatické tlakovací lince (tlakovým médiem je vzduch), odlitek je vyhodnocen jako těsný, opravitelný či neopravitelný 7. Impregnace netěsných dílů: - týká se odlitků, které byly vyhodnoceny v bodě 6. jako opravitelné - odlitky se očistí, odmastí, ve vakuové komoře se naimpregnují pryskyřicí, následuje opláchnutí přebytečné pryskyřice, vytvrzení v horké lázni a opětovná zkouška těsnosti 8. Tryskání odlitků: - jedná se zejména o otryskání otřepů způsobených opotřebením formy 9. Další kroky: - následuje konečná kontrola, převoz do skladu motorárny, konečné obrábění pro potřeby montáže, opětovná tlaková zkouška, impregnace a tmelení

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 29 2.2. Experiment Cílem experimentu je ověřit závislost mezi porezitou a mechanickým vlastnostmi. 2.2.1. Vzorky Jak již bylo řečeno v úvodu, do experimentální části pro vypracování experimentu bylo k dispozici 8 metalografických výbrusů slitiny AlSi9Cu3. Výbrusy byly zhotoveny zalitím částí tyčí, které zbyly po tahových zkouškách do dentakrylové pryskyřice. Každý vzorek obsahoval jak příčný, tak podélný řez tahové tyče. Pro naměření nových dat bylo nutné stávající vzorky řádně přebrousit, vyleštit a znovu naleptat. Veškeré přípravy pro měření porezity a vyhodnocení struktury byly provedeny v laboratořích náležících Odboru slévárenství. Označení vzorků bylo ponecháno stejné jako je tomu v [6] a je následující: HDS horní díl tlakově litý s lokálním dotlakem HD horní díl tlakově litý bez lokálního dotlaku SDS spodní díl tlakově litý s lokálním dotlakem SD spodní díl tlakově litý bez lokálního dotlaku Konkrétně se jednalo o vzorky: HDS11, HDS6, HD6, HD13, SDS11, SDS9, SD4, SD5 Broušení Broušení bylo provedeno na poloautomatické leštičce Struers LaboPol 5. Leštička umožňuje upnutí tří vzorků najednou a nastavení přítlačné síly pro každý vzorek zvlášť. Broušení probíhalo na brusných kotoučích o větší zrnitosti k menší. Postup broušení: - procesní kapalina: voda - brusné kotouče: Struers MD Piano 220 (hrubší) a MD Largo (jemnější) - otáčky: 220 ot/min - jeden brusný cyklus trval 2 minuty, každý vzorek byl broušen na obou kotoučích, po každém cyklu bylo provedeno opláchnutí pod vodou, usušení a vizuální kontrola zrakem - v případě nevyhovujícího vzhledu povrchu vzorku byl brusný cyklus opakován Leštění Leštění proběhlo na stejném zařízení jako broušení s tím, že byly použity jiné nástroje a jiná procesní kapalina. Opět se postupovalo od hrubšího leštění po jemnější, přičemž se neměnil typ kotouče, ale typ leštící (mazací, chladící) suspenze. Postup leštění: - procesní kapalina: leštící suspenze Struers DiaDuo (9 µm, 3 µm, 1 µm) - brusné kotouče: Struers MD DAC - otáčky: 300 ot/min - leštící cyklus byl proveden u každého vzorku, pro každou zrnitost leštící emulze a trval 3 minuty - po každém cyklu následovalo opláchnutí lihem a vysušení - po leštění suspenzemi o zrnitosti 9 µm a 3 µm byly vzorky kontrolovány vizuálně zrakem

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 30 Leptání - po leštění 1 µm suspenzí proběhla kontrola na stereoskopickém mikroskopu STM 723 ZOOM u vzorků jejichž povrch byl nevyhovující (rýhy, škrábance), se leštící cyklus zopakoval a to od vhodné zrnitosti suspenze Bylo nutné zejména kvůli vyhodnocení porezity. Leptání bylo provedeno leptadlem Fuss, kterému byl každý vzorek vystaven 10 sekund. Následovalo opláchnutí lihem a vysušení. Každý vzorek byl prohlédnut na mikroskopu STM 723 ZOOM. Po této kontrole se u některých vzorků leptání zopakovalo. Obr. 2.1 Leštička Struers LaboPol 5 Obr. 2.2 Naskenovaný vzorek HD6 2.2.2. Měření porezity Zjištění množství porezity bylo provedeno obrazovou analýzou. Pro provedení bylo nutné přichystané vzorky naskenovat, aby je bylo možno později vyhodnotit v příslušném počítačovém programu. Vyhodnocení porezity se tedy provádí z plochy. Skenování proběhlo na skeneru Epson Stylus DX 6050. Skenovací plocha skeneru musela být dokonale vyčištěna od částic prachu a jiných nečistot, aby nedošlo k pozdějšímu zkreslení výsledků měřené porezity. Vzorky byly skenovány při rozlišení 3200 dpi a uloženy do formátu TIFF. Formát obrázku TIFF je vhodný proto, že zachovává měřítko a neprovádí kompresi (není měněna kvalita naskenovaných dat). Naskenované vzorky byly oříznuty a otočeny v programu Adobe Photoshop CS3. Měření porezity proběhlo na Ústavu materiálového inženýrství prostřednictvím programu AnalySIS (výrobce Olympus). Naskenované obrázky jednotlivých vzorků byly v tomto programu převedeny na odstíny šedi. Dalším krokem bylo upravit hodnoty kontrastu a jasu, které byly použity pro všechny vzorky stejné. Následovalo tzv. naprahování. Naprahování je proces, při kterém programu určíme, jaké odstíny šedi má vyhodnotit jako póry. Tato část je pro úspěšné měření klíčová, protože velmi citlivě ovlivňuje naměřené výsledky. Výstupem programu je soubor ve formátu XLS, který obsahuje programem naměřená data udávající velikosti ploch jednotlivých pórů. Vyhodnocování probíhá v uživatelem vybrané oblasti plochy vzorku, která má tvar pravoúhlého čtyřúhelníku. Ta byla volena co největší, aby bylo docíleno maximální objektivnosti měření. Podélný řez tahové tyče byl měřen pouze jednou, protože měl vhodný obdélníkový tvar. Příčné řezy byly kruhové, proto byly měřeny ve dvou na sebe

FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 31 kolmých obdélníkových oblastech a výsledná porezita byla stanovena aritmetickým průměrem těchto dvou měření. Obr. 2.3 Vyhodnocování porezity v programu AnalySIS Z údajů o velikosti celkové vyhodnocované plochy vzorku a celkové plochy zabrané póry byl v programu Microsoft Office Excel 2003 proveden výpočet procentuálního zastoupení pórů v ploše vzorku dle vzorce [12]: kde: S p... celková plocha pórů [mm 2 ] S 0... celková vybraná plocha [mm 2 ] P... porezita [%] (2.1) Naměřené hodnoty porezity jsou shrnuty v následující tabulce. Uvedené hodnoty mechanických vlastností jsou převzaty z [6]. Vzorek Měřená příčná porezita P [%] 1. měření Tab. 2.1 Shrnutí výsledků měření porezity 2. měření P S = p S Příčná porezita P [%] 100 Podélná porezita P [%] Mez pevnosti v tahu R m [MPa] Smluvní mez kluzu R p0,2 [MPa] Tažnost A [%] HD13 1,06 0,70 0,88 1,07 228 152 1 HD6 1,30 1,51 1,41 1,30 202 144 1 SD4 1,50 1,56 1,53 1,50 142 129 0,4 SD5 1,72 1,12 1,42 1,72 212 144 0,7 HDS11 0,38 0,45 0,42 0,38 260 136 3 HDS6 0,52 0,78 0,65 0,52 215 130 1,2 SDS11 0,47 0,33 0,40 0,47 253 145 1,8 SDS9 0,52 0,56 0,54 0,52 230 124 2,3 0