1

MPL II 1

Metalurgie neželezných slitin

Ing. Aleš Herman, Ph.D.

MPL II 2

Rozdělení slévárenských slitin neželezných kovů

• Slitiny Al

• Slitiny Mg

• Slitiny Zn

• Slitiny Cu

• Slitiny Ni

MPL II 3

Slévárenské slitiny Al

Slitiny Al – Si – silumíny

Slitiny Al – Cu

Slitiny Al – Mg

MPL II 4

Značení slitin Al na odlitkyDle ČSN EN 1706

EN AC-XXXXX

První číslice2 – slitiny Al – Cu

4 – slitiny Al – Si

5 – slitiny Al – Mg

7 – slitiny Al – Zn

Vždy 00

Druhá čísliceskupina slitin -pouze u slitin Al – Si

Pořadové číslo ve skupině

MPL II 5

Vzorové označování Al slitin na odlitky

EN AC-Al Zn5MgEN AC-71000 AlZnMgEN AC-Al Mg3(5,9)EN AC-51xxxAlMgEN AC-Al Si12CuNiMgEN AC-48000AlSiCuNiMgEN AC-Al Si12Cu EN AC-47xxxAlSi(Cu)EN AC-Al Si9(7,11)Cu3(2,1)EN AC 46xxxAlSi9CuEN AC-Al Si6(5)Cu4(3,1)EN AC 45xxx AlSi5CuEN AC-Al Si12(11) EN AC 44xxxAlSiEN AC-Al Si10(9)MgEN AC 43xxxAlSi10MgEN AC-Al Si7Mg0,3 (0,6)EN AC 42xxxAlSi7MgEN AC-Al Si2MgTiEN AC-41000AlSiMgTiEN AC-Al Cu4EN AC-21xxxAlCuChem. značkamiČíselné

Označení slitinySkupina slitin

MPL II 6

Charakteristiky typů slitin Al

+++––Al – Mg––++–Al - Cu0++++Al – Si – Mg

–0 (Cu snižuje)

++Vznik nízko-tavících eutektik

Al – Si – Cu

–000Obsah Si zlepšuje

Al – Si

Povrchová úprava

Odolnost proti korozi

ObrobitelnostMechanické vlastnosti

Slévárenské vlastnosti

Typ slitiny

– špatné

0 střední

+ výborné

2

MPL II 7

Metalurgie slitin AlOmezení vzniku vměstků

Rafinace

Odplynění

Očkování

Modifikace

KontrolaMPL II 8

Vměstky ve slitinách AlHlavní typy vměstků:

⇒ Oxidické blány

⇒ Makroskopické vměstky kompaktního tvaru

⇒ Mikroskopické (jemné) částice rozložené místně či rovnoměrně

Vměstky negativně ovlivňují :⇒ Mechanické vlastnosti (vruby)

⇒ Slévárenské vlastnosti (překážky v kovu, zejména blány Al2O3, zabíhavost)

⇒ Obrobitelnost (tvrdé částice)

⇒ Těsnost

⇒ Povrchové úpravy (zhoršená možnost leštění, eloxování)

MPL II 9

Cu ve struktuře slitin Al-Si Mg ve struktuře slitin Al-Si

Ni ve struktuře slitin Al-Si Fe ve struktuře slitin Al-Si

MPL II 10

Vznik vměstků:Exogenní – vznikají během tavení a odlévání – reakce s vyzdívkou pece, formou

Endogenní – vznikají oxidací a chemickými reakcemi mezi jednotlivými prvky v samotné tavenině

MPL II 11

1 – 50ČásticeChemická reakce – nízká udržovací teplota

Fe-Cr-Mn

1 – 300,1 – 3

Shluky,Částice

Zjemňující přísadyTiB2, AlB2

0,1 – 5ČásticeZjemňující přísadyTiC

0,1 – 5ČásticeSoliChloridy, fluoridy

0,1 – 510 - 5000

Částice, Film

StruskaMgAl2O4

0,1 – 510 - 5000

Částice, Film

StruskaMgO

0,2 – 3010 – 5000

Částice, Film

StruskaAl2O3

Velikost (µm)TvarPůvod vměstkůTyp

Typy endogenních vměstků

MPL II 12

Rafinace taveniny

Rafinace = snižování vměstků

Způsoby rafinace:

→ Odstátí taveniny

→ Vynášení vměstků plynovými bublinami

→ Chemická vazba vměstků pomocí krycích a rafinačních solí

→ Mechanické zachycování vměstků – filtrace taveniny

3

MPL II 13

Krycí přípravky:Úkol: bránit přímému kontaktu s atmosférickým kyslíkem a s vlhkostí

Složení krycích solí: chloridy a fluoridy alkalických kovů (NaCl, KCl, NaF, KF, CaCl2, Na3AlF6 (kryolit) atd.

Dávkování: dle zakrytí celé hladiny (cca 1% z hmotnosti vsázky)

Pro silumíny se používá výjimečně.

MPL II 14

Rafinační přípravky

Úkol: odstranění oxidických vměstků z taveniny, snížení propalu hliníku, případné snížení obsahu některých nežádoucích prvků

Čím se rafinuje: směsi chloridových a fluoridových solí s přísadou aktivních komponent – reagují s nimi a ovlivňují povrchové napětí mezi kovem a oxidy

Výsledek: nečistoty vyplavují ve formě strusky na hladinu –„stěry“ – ty obsahují krom oxidů a vměstků i značný podíl kovové fáze Al lze je hutně zpracovávat a využít Al

MPL II 15

FiltracePoužívají se tkaninové filtry, kovová sítka či keramické filtry – filtrovat se může při přelévání z transportních pánví do udržovacích pecí či přímo ve formách.

MPL II 16

Odplynění Al slitin

Odplyňování = metalurgická operace cílem je sníženíobsahu H na úroveň, kdy nedojde k vyloučení bublin.

Pro zamezení vzniku bublin je nutné obsah H snížit pod úroveň 0,2 (někdy až pod 0,1) cm3/100 g Al.

Obsah H závisí na :

Druhu tavící pece

Použitých vsázkových surovinách

Vlhkosti použití solích a dalších parametrech

Obvykle se obsah H pohybuje v rozmezí od 0,2 do 0,8 cm3/100 g Al

MPL II 17

Přípustný obsah H záleží :

Na použité technologii (lití do písku, kokil, tlakově)

Na tloušťkách stěn (rychlosti tuhnutí)

A na účelu použití odlitků

Obecně platí čím pomalejší je tuhnutí, tím vyšší je sklon ke vzniku bublin a tím dokonalejší musí být odplynění

Nebezpečí: plynové póry mohou částečně či úplně nahrazovat úbytek kovu stahováním při tuhnutí. Velmi silně odplyněná tavenina má silný sklon k tvorbě soustředěných staženin vyžaduje intenzivnínálitkování

MPL II 18

Snížení obsahu plynů v Al slitinách se provádí :

Vakuováním taveniny

Probubláváním taveniny aktivními či neaktivními plyny

!!! Pozn. Pouhé odstátí taveniny nemá vliv na snížení plynů v tavenině!!!

4

MPL II 19

Snížení obsahu plynů v Al slitinách vakuováním taveniny

Tlak v odplyňovací komoře cca 5 kPa

Je založeno na snížení tlaku atmosféry nad hladinou roztaveného kovu

MPL II 20

Snížení obsahu plynů v Al slitinách probubláváním taveniny aktivními či inertními plyny

Je založeno na difúzi H do bublin s nulovým parciálním tlakem H s nimiž je vynášen na hladinu či s nimi chemicky reaguje

MPL II 21

Používané plyny:Inertní : dusík, argon

Malá velikost bublin, dostatečná dráha (jejich tvoření u dna dostatečně vysoké pánve) a dobré promíchávání (homogenizace) taveniny jsou klíčové podmínky účinného odplynění. Používají se plyny o vysokéčistotě (např. dusík o čistotě 99,99 % – z důvodů „neobsahování“ vlhkosti)

Aktivní: chlor, fluor (dříve i freony)Při odplyňování aktivními plyny se ruší modifikační účinek Na a Sr a může se výrazně snížit i obsah Mg. Proto je nutné modifikaci provádět až po odplynění. Stupeň odplynění je u aktivních plynů lepší oprotiinertním. Naráží však na ekologické předpisy a je výrazně omezováno.

MPL II 22

Způsoby odplyňováníPlyny se do taveniny dostávají :

Rozkladem odplyňovacích solí

V plynné formě

Odplyňovací soli

Sloučeniny, které se při teplotě cca 600°C rozkládají za vzniku plynného dusíku, případně chloru či fluoru. Soli se ponoří ke dnu tavícího kelímku pomocí ponorného zvonu. Pak se vyčká, až reakce dojde až na povrch hladiny a stáhne se struska.

Formy soli : prášek, tablety či granulát

MPL II 23

Aplikace plynných prostředků se musí provádět, aby byl splněn základní předpoklad dobré účinnosti – tj. co nejmenší velikosti bublin.

Nosný plyn se vhání do taveniny pomocí:Odplyňovacích trubic – grafitová, keramická trubka opatřená porézní zátkou – používá se v malých slévárnách pro menší velikosti kelímků, trubice musí být umístěny tak, aby docházelo k promíchávání lázně.

Porézních tvárnic – ty jsou trvale zabudovány do vyzdívky ve dně tavící pece či speciální odplyňovací pánve. Přívod plynu je řešen zvnějšku. Trysky musí být nasměrovány tak, aby byl zajištěn pohyb taveniny.

Rotorových zařízení - jsou to mobilní či stacionární zařízení, kde se plyn vhání do taveniny grafitovým rotorem.

MPL II 24

Rotorové zařízení pro odplyňování

Firma FOSECO – FDU (Foundry Degassing Unit)

5

MPL II 25

Očkování Al slitinÚčel – zjemnění primární fáze vnesením nukleačních zárodků. Očkováním se nemění intenzita ochlazování nemění se ani hodnota DAS účinek očkování na vlastnosti litin je menší než účinek rychlého chladnutí.

Hodnota DAS (Dendrite Arm Spacing) – závisí pouze na rychlosti chladnutí v intervalu tuhnutí – čím kratší doba tuhnutí – tím menší DAS. Hodnota DAS se používá pro popis dendritické struktury – je to vzdálenost sekundárních os dendritů.

nftaDAS .=

a – konstanta závislá na slitině, n – konstanta rozmezí od 0,3 do 0,5

tf – místní doba tuhnutí

MPL II 26

Očkování slitin Al

Pro nadeutektické slitiny – se očkování provádí fosforem (P) –vnáší se do taveniny ve formě očkovací soli (např. PCl5), či ve formě předslitin CuP10 nebo slitinou Ni-P (lze také použít červený fosfor) – nukleačními zárodky jsou pouze částice fosfidu hlinitého AlP.

Pro podeutektické slitiny – se očkování provádí titanem (Ti) či kombinací Ti a bóru (B) – vnášejí se do taveniny ve formě očkovacích solí (např. K2TiF6, KBF4 a dalších) či ve formě očkovacích tablet a nebo ve formě předslitin Al-Ti či Al-Ti-B

Očkovací slitiny – dodávají se v tyčích o určené hmotnosti (obvykle ø10 mm a délka cca 500 mm – zadává se počet tyčí na množství kovu

Očkovací soli – cca 1 % hmotnosti vsázky, zvonem se ponoří ke dnu

MPL II 27

Vliv očkování na vlastnosti Al slitin

Zjemnění zrna se projevuje:

Snížením sklonu slitiny ke vzniku trhlin

Zvýšením pevnosti a tažnosti

Menší pórovitostí odlitků

Zvýšením těsnosti odlitků

Lepší obrobitelností

Zlepšením kvality povrchu po anodické oxidaci

Zvýšením vlastností po tepelném zpracování

MPL II 28

Struktura slitiny AlSi7Mg

Neočkované Očkované 0,2 %Ti

MPL II 29

Struktura nadeutektické slitiny Al-SiZvětšení 200x

Neočkovaná Očkovaná 0,5 PCl5

MPL II 30

Modifikace Al slitin Modifikují se převážně pouze eutektické slitiny tj. rozmezí obsahu Si mezi 11,5 – 13 %. Jako modifikátorů se používá pouze sodíku (Na) či stroncia (Sr). Podobný účinek má i antimon (Sb)

Modifikací se mírně zvyšují pevnostní vlastnosti, velmi výrazně však plastické vlastnosti – tažnost a houževnatost. Např. modifikovaná slitina Al – tažnost 8% a nemodifikovaná Al slitina 2-3%.

!!!Ze strukturních složek se modifikace týká pouze eutektika!!!

6

MPL II 31

Modifikace sodíkemNa – nejsilnější modifikační prvek – pro získání plně modifikované struktury musí slitina obsahovat 50 – 100 ppm Na.

Využití Na je velmi nízké (10 – 20%) – páry způsobují bouřlivý var-

Odeznívání modifikace – 15 – 20 minut (max. 30 minut)

Lze dosáhnout prodloužení modifikačního účinku v udržovacích pecích – používají se tablety s pomalým rozpouštěním.

!!! Modifikuje se vždy až po odplynění !!!

z důvodů vysoké afinity Na k F a Cl

MPL II 32

Modifikační prostředky s Na

Kovový sodík – z důvodů vysoké reaktivnosti – dávkování ve vakuovaných patronách (obal z Al plechu) – patrony se zvonem ponoří ke dnu a drží se až do konce reakce – dávkování 0,05 – 0,1 % Na

Modifikační soli – směs chloridů a fluoridů (NaCl+KCl+NaF) –dodávány v prášku či tabletách – ponoří se zvonem ke dnu a nechávají se volně proplavat taveninou (5 – 10 minut) – dávkování 0,8 – 1,0 % hmotnosti taveniny

Exotermické modifikační tablety – dnes nejpoužívanější –využívají exotermický efekt způsobený hořením Mg třísek, z tablet se Na uvolňuje ve formě par – využití Na cca 30% – dávkování:

Lití do kokil - 0,02 – 0,12 % Na

Lití do písku - 0,1 – 0,2 % Na (pro tlakové lití se nepoužívá)

MPL II 33

Modifikace stronciemStroncium (Sr) lehký kov, Tt=770°C - použití ve formě předslitin s Al – obsah 3,5 – 10 % Sr

Aplikace – tyče Ø 10 mm – délka 0,5 m – dávkování počet tyčí na hmotnost taveniny

Dávkování - účinek Sr slabší než účinek Na – obvykle 150 – 200 ppm Sr, u obsahu Si mezi 12 – 13 % až 400 ppm Sr

U Sr je třeba delší doby modifikace – reakce není bouřlivá

!!! Nehodí se používat pro silnostěnné odlitky lité do písku –nedostatečný účinek !!!

MPL II 34

„Modifikace“ antimonem – vzniká struktura s jemným lamelárním Si – Sb se přidává do housek v hutích – množství 0,1 – 0,3 %. Účinek modifikace je trvalý a neodeznívá.

!!! Sb ruší účinek Na a Sr – proto se nedoporučuje používat slitiny modifikované Na a Sb !!!

Přemodifikování slitinyPřekročení optimálního obsahu modifikátoru – vyskytují se hrubé útvary křemíku na hranicích zrn

Kontrola modifikace:Chemický rozbor

Termická analýza

Metoda kontroly elektrické vodivosti

Elektrochemická metoda měření

MPL II 35

Eutektikum Al – Si – zvětšení 200xZrnité Lamelární

MPL II 36

Eutektikum Al – SiModifikované – zvětšení 200x Modifikované – zvětšení 800x

7

MPL II 37

Eutektikum Al – Si – zvětšení 200xČástečně modifikované Přemodifikované

MPL II 38

Kontrola taveniny

Měření naplynění taveniny – založeno na měření hustoty kovu – metoda dvojího měření

Kontrola chemického složení – spektrometrie

Termická analýza

MPL II 39

Metoda dvojího měření – DI „index hustoty“Principem metody je porovnání hustoty vzorku slitiny, který ztuhl při atmosférickém tlaku se vzorkem, který ztuhl za podtlaku (vakuum 8kPa).

MPL II 40

Výpočet metodyObjem vzorku:

Hustota vzorku:

mvzH2O – hmotnost vzorku ponořeného ve vodě (kg)

mvz at – hmotnost vzorku na vzduchu (kg)

ρH2O – hustota vody (kg.m-3)

ρvz – hustota vzorku kovu (kg.m-3)

Z hustot ρvz atm a ρvz vak se spočítá INDEX HUSTOTY (Dichte Index – DI) ( ) 100.

vzatm

vzvakvzatmDIρ

ρρ −= (%) – ideální je do 4 %

OH

OvzHvz

mV2

2

ρ=

OHOvzH

vzatm

vz

vzatmvz m

mV

m2

2

.ρρ ==

MPL II 41

Tavení slitin Al

Vsázka: Housky slitin – výrobky hutí – nejdražší surovina, ale nejkvalitnější –existují primární slitiny – slitiny prvního tavení – výroba hutnickým způsobem – a sekundární slitiny – výroba přetavením Al šrotu (obsahují více nečistot a přísadových prvků

Vratný materiál – vtoky, nálitky, zmetky

Nejpoužívanější rozsah je podíl 40 – 60 % vratného materiálu, zbytek housky slitin.

MPL II 42

Typy pecí pro tavení Al slitin

Elektrické odporové – kelímkové, komorové

Plynové – kelímkové, šachtové

Elektrické kelímkové indukční – nízkofrekvenční – již velmi omezeně

8

MPL II 43

Šachtové pece a jejich princip

r

• Posuvné dveře zavážecího otvoru

• Horní kryt šachty

• Předehřívaná vsázka

• Tavící hořáky

• Hořák udržovací komory

• Čistící dvířka tavící komorymožnost odstranění ocelových zálitků

• Odpichový ventil

MPL II 44

Příklad vizualizace šachtové pece, přehled termočlánků

Příklad vizualizace na Touch-screenobrazovce – obecná kontrola stavu pece

Zjednodušený výkres vyzdívky Šachtové pece

MPL II 45

Schéma tavení v šachtové peci

Odpadní spaliny 300°C

Tavící hořák - plamen se nedotýká housek

Čistící otvor tavícího mostu

Přechod taveniny z tavící do udržovací komory

Předehřívaná vsázkaDosažení nejnižšího propalu:

=> krátká doba setrvání vsázky v přímém kontaktu s plamenem

=>maximální předehřev vsázky

ihned po natavení „sklouzává“ materiál do udržovací komory

plamen se nedotýká vsázky

Tavící most

MPL II 46

Pece s malým výkonem - nesklopnéTavící komora je nad udržovací komorou

Typ pece MH – díky této konstrukci zabírá méně místa

Detail odpichového ventilu

MPL II 47

Pece s tavícím výkonem nad 1 tunu Al /htavící komora je vedle komory udržovací

Díky „banánu“ je možné tavit i během sklápění pece

Vylévací žlab

Tavící komora je „nalepena“ na komoře udržovací

Nižší hodnota DI a minimální vznikoxidů – natavený materiál stéká do udržovací komory

Snazší čištění pece – lepší přístup k tavícímu mostu

MPL II 48

• Laserový snímač zaplnění šachty

• Otvor komínové šachtě pro laserové paprsky

• Rám pro uložení 2 nosných bloků a hydraulického válce

• Uložení 4 vážících buněk

Sklopné pece Laserové snímání šachty, vážící buňky, zavážení

9

MPL II 49

spotřeba energie pro tavení a ohřev na vylévací teplotu < 600 kWh / t Al(u kelímkových plynových pecí je uváděno 1300 – 1350 kWh / t Al)

ztráty kovu = (propal + stěry) při 50% vratu a 50% housek < 1,5 %

finanční úspora na 1% ztráty kovu:1000kg/h * 20h/den * 340 dnů / rok * 50 Kč/kg Al * 0,01 = 3.400.000 Kč / rok

vysoké využití tepla – teplota odpadních spalin < 300°C

kontinuální odběr materiálu – ustálená tavenina je stále k dispozici v nastavené teplotě,která kolísá v rozmezí ± 6°C

snížení rizika exploze housek

vyšší kvalita kovu – nedochází k vycezování tvrdých vměstků ponořením housek do taveniny

Proč jsou šachtové pece tolik rozšířené 1

MPL II 50

snadné čištění, možnost odstranění železných zálitků bez rizikazvýšení procenta železa v tavenině

Snadná obsluha celého zařízení

Snadná údržba

Žádné problémy s ekologií a množstvím NOx ve spalinách

Archivace a zpětná kontrola všech procesních dat

množství nataveného a odebraného materiálu

skutečná spotřeba plynu

aktuální ztráty kovu (sledování zaváženého množství kovu, množství stěrů a nečistot při čištění pece

Proč jsou šachtové pece tolik rozšířené 2