SQUEEZE CASTING JEDNÁ SE O NOVOU TECHNOLOGII? Aleš Herman a a Fakulta strojní ČVUT v Praze, Ústav strojírenské technologie, Technická 4, 166 07 Praha 6 E-mail: hermana@fsid.cvut.cz Abstrakt Jedná se o znovu objevenou metodu v oblasti technologie tlakového lití, která spočívá ve využití tzv. squeeze efektu (dotlačení). To znamená, že na konci cyklu při průběhu chladnutí jsou buď v nástroji pro tlakové lití zabudovány pohyblivé části, které tvářením zpevňují určitá místa již chladnoucího odlitku v nástroji či se využívá efektu dotlaku na pístu kdy se působí přes vtokovou soustavu. Hlavními výhodami této metody jsou vyšší hodnoty mechanických vlastností odlitku oproti klasickým technologiím. Abstract The technology squeeze casting is relocated method in area of high pressure casting technology. The main principle of this technology is in squeeze effect. At the end of cycle during phases of solidification are used particular tool or machines whose are pressured on solidification metal. The main advantages of this technology are better mechanical properties in casting in comparison with standard high pressure casting technology 1. ÚVOD Jedná se o nejnovější metodu v oblasti technologie tlakového lití, která spočívá ve využití tzv. squeeze efektu. To znamená, že na konci cyklu při průběhu chladnutí jsou v nástroji pro tlakové lití zabudovány pohyblivé části, které tvářením zpevňují určitá místa již chladnoucího odlitku v nástroji. Hlavními výhodami této metody jsou vysoké hodnoty mechanických vlastností odlitku oproti klasickým technologiím. Podstata lití kovů pod tlakem U klasický technologií lití vzniká nebezpečí, že kov ztuhne dříve, než zcela vyplní dutinu formy. Toto nebezpečí odstraňuje metoda lití kovů pod tlakem. Je to způsob výroby odlitků, při němž je roztavený kov vstřikován do trvalé formy velkou rychlostí ( řádově desítky m/s), které kov dosahuje značným zúžením vtoku. Kov zůstává pod tlakem i během krátké doby tuhnutí. Velká rychlost plnění a vysoký tlak umožňují odlévat tímto způsobem tenkostěnné a velmi členité odlitky, nevyžadující často jiné opracování než odstranění vtoku a otřepů. Ochlazování odlitku Rychlého ochlazení odlitku se dosáhne rychlým odvedením tepla vlastní ocelovou formou, jejíž obě poloviny a v některých případech i jádra jsou chlazeny vodou, proudící ve vyvrtaných kanálech. Vzhledem ke značnému tepelně mechanickému namáhání formy za provozu a vzhledem k mechanickým i chemickým účinkům proudícího kovu musí být forma pro lití kovů pod tlakem ze speciálních ocelí pro práci za tepla. Se zřetelem na trvanlivost ocelových forem se dá lití pod tlakem hospodárně použít jen na výrobu odlitků ze slitin neželezných kovů do licí teploty max. 1000 C. Jedná se o slitiny olova, zinku, cínu, hořčíku, mědi, ale hlavně hliníku. Jedinou operací je tedy tekutý kov v krátké době přeměněn v komplikovaný odlitek hladkého povrchu a poměrně velmi přesných rozměrů. 1
Výhody a nevýhody lití pod tlakem Oproti ostatním způsobům lití má lití pod tlakem mnoho předností. V porovnání s litím do písku nebo do kokil, dosahuje se většího výkonu, přesnosti, a u větších sérií dále kvalitnějšího povrchu, menších výrobních nákladů a lepšího využití kovu. Bez obtíží lze dodržet požadované rozměrové tolerance. Tvar a povrch odlitků přesně odpovídá tvaru a povrchu dutiny formy. Odlitky také nevyžadují téměř žádné úpravy a málo následného obrábění. Další velkou výhodou je možnost odlévání tenkostěnných odlitků, dobré mechanické vlastnosti a možnost předlití všech nebo většiny otvorů. Vzniká úspora na váze odlitku, na opracování, na skladovacích nákladech, úspora místa a investic, pracovních sil, zrychlení výroby a zlepšení mechanických vlastností odlitku. Podle toho, zda je roztavená slitina v trvalém či přechodném styku s ústrojím, ve kterém se na ni působí tlakem, rozeznáváme: stroje s teplou komorou (vstřikování kovu pístem, vstřikování kovu vzduchem) a stroje se studenou komorou (vstřikovací ústrojí vertikální, vstřikovací ústrojí horizontální) Na strojích s teplou komorou se odlévají nízkotavitelné slitiny, tj. slitiny cínu, olova a zinku. Základním znakem je to, že pracovní pec je součástí stroje a roztavený kov je z kelímku tlačen přímo do formy a to buď pístem nebo vzduchem. Realizace vstřikování pístem je za nižších teplot tím víc obtížně uskutečnitelná, čím větší je objem vstřikovaného kovu. Pro tyto případy se užívá vstřikování vzduchem, který přímo působí na hladinu kovu v komoře. U strojů se studenou plnicí komorou na rozdíl od strojů s teplou komorou není udržovací pec s roztaveným kovem součástí stroje. Je postavena zvlášť a kov z kelímku se dopravuje do plnicí komory před každým vstřikem. Nízkotlaké lití je další technologií, kterou lze odlévat odlitky dosahující oproti gravitačnímu způsobu lití do kokil větší kvality povrchu a menší tloušťky stěn odlitku. Tato technologie se používá při výrobě bloků motorů a hliníkových hlav válců. 2. NOVÉ SMĚRY V TECHNOLOGII TLAKOVÉHO LITÍ Nejnovější metody tlakového lití : o thixotropní lití o squeeze lití Metoda thixotropního lití je založena na normálním vysokotlakém lití se zvláštností, že se forma plní polotuhým kovem. Thixotropní lití může být charakterizováno pomocí tří kroků: zásobení polotuhým kovem, ohřev, formování (tváření). Součásti odlité thixotropním litím vykazují výborné mechanické vlastnosti, dají se svařovat a mohou se tepelně upravovat (zpracovávat). 2
Obr.1 Rovnovážný diagram: znázornění oblasti užívané pro thixotropní lití [1]. Obr.2 Znázornění procesu thixotropního lití pomocí tří kroků [1]: Technologie Squeeze Casting Jedná se o nový směr v technologii tlakového lití, jehož hlavní výhodou jsou příznivé hodnoty mechanických vlastností oproti klasickým technologiím. Česká terminologie zatím nemá žádný ekvivalent pro termín squeeze casting: pokud bych se měl pokusit o českou specifikaci dalo by se toto také nazývat tlakovým zpevňováním. Tato technologie se v současné době rozvíjí hlavně v automobilovém průmyslu a to kvůli zlepšení mechanických vlastností jednotlivých částí výrobků, rostoucím cenám a vysoké produkci. Výrobky vyráběné touto metodou se vyznačují pozoruhodně dobrými fyzikálními vlastnostmi, dosahují vynikající kvality povrchu a dostatečně přesných rozměrů. 3
Tab.1 Vlastnosti a hodnoty disku (kola) odlévaného metodou squeeze casting v porovnání s gravitačním litím [1] T/S Kg/mm2 Tažnost % Tvrdost HV 5Kg Vrubová houževnatost Kg.m/cm2 Únav. pevnost Kg/mm2 Squeeze Casting 29.5 12.5 105 1.8 12.4 Gravitační lití 28.0 2.4 1.3 0.6 8.5 Tab.2 Mechanické charakteristiky různých metod lití [2] Metody lití Lití do pískových forem Lití do kovových forem Squeeze Cast Hustota kg.m -3 Kvalita povrchu Ra µm Smluvní mez kluzu MPa Lití za starších podmínek Mez pevnosti MPa 2.782 76 181.4 127.0 Prodloužení % 2.782 45 199.1 219.7 1.6 Nejnovější podmínky pro lití Smluvní mez í kluzu MPa Mez pevnosti MPa Prodloužení % 2.782 20 185.3 294.2 6.0 310.9 359.9 1.9 Popis metody: Na konci cyklu odlévání, již při tuhnutí odlitku, se pohyblivými nástroji, které jsou pevně zabudovány ve formě pro tlakové lití, zpevňují určitá místa chladnoucího odlitku.tuto metodu lze využívat dvěmi směry:jedná se o celkový a lokální squeez. U lokálního squeezu se zpevňují pouze určitá kritická místa odlitku, u nichž požadujeme vysoké mechanické vlastnosti např. místa pro uložení ložisek u klikových hřídelů. Tato metoda je velmi výhodná, avšak v současnosti není příliš rozšířena kvůli patentování. Metoda je rovněž velmi náročná na konstrukci formy. Kvůli rozmístění a uložení pohyblivých dílů formy, které způsobují lokální zpevnění odlitku, je v těchto místech omezeno ochlazování odlitku. Uložení pohyblivých dílů znemožňuje přívod chladicí kapaliny, která proudí vyvrtanými kanálky v nástroji. Tato skutečnost se projevuje možností vzniku nepříznivých jevů, jako jsou např. vznik bublinek, mikroporezity apod. 4
Naproti tomu u technologie celkového squeez lití působí tvářecí síla v celém odlitku; viz. obr.1. Nově vyráběné stroje dovolují programově řídit vstřikovací tlak, což má velký význam pro jakost odlitku, zejména pokud jde o pórovitost. Pro zcela úplné zamezení mikroporezity lze odlévat také vakuově. Pracovní cyklus je následující: Stroj se uzavře a kov se nalije do komory. Vstřikovací píst zajede do komory, uzavře nalévací prostor a zastaví se. Současně koncový vypínač otevře ventil a forma i komora je vakuována. Pak se kov vstříkne do formy, vakuový ventil se opět uzavře, stroj se otevře a vyhodí odlitek. Obr. 3 Celkový squeeze casting proces pro odlitek ze slitin železa. Vysoký tlak je udržován i během tuhnutí, aby se zabránilo možnému vzniku mikroporezity. [3], [4], [5] V poslední době se také začíná používat technologie squeeze casting pro lití ze slitin Fe (litiny a oceli) viz obr. 3 a 7. Nejedná se zde již o tlakové lití, ale kombinaci technologií slévání a objemového tváření (zápustkového kování). 5
Obr. 4 Jednotlivé fáze celkového squeez lití, včetně vyhození odlitku [6] Obr. 5 Celkový (total) squzee [7] 6
Obr. 6 Forma na squeeze lití Obr.7 Znázornění průběhu teplot a průběhu strukturálních změn ve slitině železa při squeeze casting procesu. (Součást by měla být po ztuhnutí a zpevnění vyndávána z formy za přesně definované teploty a dále by se měla ochlazovat v solné lázni pro dosažení dobrých mechanických vlastností.) [9] [10] 7
ZÁVĚR Ve srovnání s ostatními klasickými metodami lití má moderní metoda squeeze casting o více než 140 % příznivější mechanické vlastnosti. Nelze opominout i lepší ekonomické podmínky. Náklady na pořízení (výrobu) formy jsou jistě vysoké, ale je důležité si uvědomit, že výrobek vyrobený metodou squeeze má charakter na rozhraní odlitku a výkovku. Při zpevňování vzniká tvářená struktura, která má oproti struktuře odlitku mnohonásobně lepší vlastnosti. Tento projekt je podporován Výzkumným záměrem CEZ:J04/98:212200008. Literatura [1] Lee, J. aj..: Effect of the gap distance on the cooling behavior and the microstructure of indirect squeeze cast and gravity die cast 5083 wrought Al alloy. In Materials Science & Engineering A (Structural Materials: Properties, Microstructure and Processing), vol.a338, no.1-2, Page: 182-90,: Elsevier, 15 Dec. 2002 [2] Kim, S.W.; aj. : The study on characteristics of heat treatment of the direct squeeze cast 7075 wrought Al alloy In: Materials Science & Engineering A (Structural Materials: Properties, Microstructure and Processing) Conference: Mater. Sci. Eng. A, Struct. Mater., Prop. Microstruct. Process. (Switzerland), vol.a304-a306, Page: 721-6, Elsevier, 31 May 2001 [3] Hashemi, H.R.; Ashoori, H.; Davami, P. : Microstructure and tensile properties of squeeze cast Al-Zn-Mg-Cu alloy Materials Science and Technology, vol.17, no.6, Page: 639-44, Inst. Mater, June 2001 [4] Peng, H.X.; Fan, Z.: Immiscible systems produced by squeeze casting of engineered metallic foams, Journal of Materials Science Letters, vol.20, no.19, Page: 1769-71, Kluwer Academic Publishers, 1 Oct. 2001 [5] Tausig, G.; Ricketts, N.J.; Peck, S.R. : Forging of magnesium using squeeze cast pre-form, Conference: Magnesium Technology 2001, New Orleans, LA, United States, 20010211-20010215, International Magnesium Association; Corrosion and Environmental Effects Comm.; TMS Structural Materials Division), TMS Annual Meeting 2001. p 235-242, 2001 [6] Sala, Giuseppe : Technology-driven design of MMC squeeze cast connectingrods, Science and Technology of Advanced Materials v 3 n 1 March 2002. p 45-57, 2002 [7] Hu, Henry; Yu, Alfred: Numerical simulation of squeeze cast magnesium alloy AZ91D. In. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering v 10 n 1 January 2002. p 1-11, 2002 [8] Ghomashchi, M.R.; Vikhrov, A.: Squeeze casting: An overview, Journal of Materials Processing Technology v 101 n 1 2000. p 1-9, 2000 [9] Kim, E.S.; Lee, K.H.; Moon, Y.H. : Feasibility study of the partial squeeze and vacuum die casting process, Journal of Materials Processing Technology v 105 n 1 Sep 2000. p 42-48, 2000 [10] Kim, S.-W.; Durrant, G.; Lee, J.-H.; Cantor, B.: Effect of die geometry on the microstructure of indirect squeeze cast and gravity die cast 7050 (Al-6.2Zn- 2.3Cu-2.3Mg) wrought Al alloy, Journal of Materials Science v 34 n 8 1999. p 1873-1883, 1999 8