Metalurgie slitin Al

Rozdělení slitin Al

• Al-Si – siluminy

• Al-Cu – duraly

• Al-Mg – hydronalia (hydronaly)• Al-Mg – hydronalia (hydronaly)

• Al-Zn – zinkové siluminy (nesprávně)

Al-Cu – duraly

• historicky nejstarší• dnes pouze 2 slitiny tohoto typu (AlCu5)• široký interval tuhnutí, obtížně nálitkovatelné• náchylnost k trhlinám za tepla• špatná zabíhavost• špatná zabíhavost• nízká odolnost proti korozi• špatně zavařitelné• vysoká pevnost (až přes 400 MPa), tažnost• možnost vytvrzení (fáze Al2Cu)• lepší leštitelnost než Al-Si• dále přídavek Ti, Mg, Mn, Ni(NiAl3), Ag

Al-Mg – hydronaly

• 3, 5, 9 % Mg• špatné slévárenské vlastnosti• zlepšení přídavkem Si, ale klesá A• široký interval tuhnutí• horší tekutost a zabíhavost• náchylnost k trhlinám• náchylnost k trhlinám• sklon k naplynění, netlakotěsné, silná oxidace• MV obecně horší než u Al-Si, ale lepší A (až 5 %)• dobrá obrobitelnost, leštitelnost (elox) - dekorace• odolnost proti korozi – v alkalických prostředích

– lodní, chemický, potravin. průmysl• gravitačně: do písku, do kokil; tlakově

Al-Zn – zinkové siluminy• nejsou rozšířené• norma: pouze 1 slitina AlZn5Mg (Unifont 90)• dobré pevnostní a slévárenské char.• dobrá slévatelnost,

sklon ke vzniku staženin, prasklinsklon ke vzniku staženin, prasklin• dále Mg, Cu, Mn• tvarové odlitky v autom. průmyslu• vysoká rozměrová stabilita, odolnost x korozi,

dobrá obrobitelnost• náchylnost ke korozi pod napětím• malá tlakotěsnost

Proč Al-Si?

Norma ČSN EN 1706rozlišuje 29 druhů slitin Al-Si

Proč Al-Si?

...optimální mechanické a metalurgické vlastnosti...

Al-Si

• RD s omezenou rozpustností se vznikem eutektika

• homogenní tuhý roztok – substituční –přísady větší – deformace mřížky (KPlS)

• eutektikum• eutektikum

• intermetalické fáze – vznik při přesažení rozpustnosti

– z taveniny

– peritektickou přeměnou

– precipitací z TR

Rozdělení slitin Al-Si

• podeutektické – dobře slévatelné

– obsah Si do 10 %

– dendrity fáze α + eutektikum (α + β) (α(Al)+Si)

• eutektické – nejvyšší pevnost

– 12 % Si– 12 % Si

– eutektikum (α + β)

• nadeutektické – tvrdé – písty spal. motorů

– 12 – 25 % Si

– primární krystaly Si + eutektikum (α + β)

Podeutektické:

• nejpočetnější

• skupiny:

– AlSi2MgTi

– AlSi7Mg– AlSi7Mg

– AlSi10Mg

– AlSi5Cu

– AlSi9Cu

a jejich podskupiny

• ale náchylné k tvorbě trhlin za tepla

Eutektické:

• AlSi11, AlSi12 a jejich podskupiny

• úzký interval tuhnutí• úzký interval tuhnutí

• vysoká zabíhavost

• sklon k soustředným staženinám

• slabá tloušťka stěny

• vysoká tažnost a plasticita na úkor pevnosti

• AlSi12CuNiMg (komplexní pístová slitina)

Nadeutektické:

• nejsou zakotveny v normách

• záležitost specializovaných výrobců specializovaných výrobců a specielních aplikací

• kluzné aplikace

• vyloučení primárních zrn Si

Další slitinové prvky- tvoří další intermetalické fáze

- mohou mít negativní vliv

• legury:• legury:

– Si, Cu, Mn, Mg, Ni, Ti

• příměsi:

– Fe, Cr, Zn, Pb, Sn

• Cu – zlepšení mech. vlastností, obrobitelnosti, horší kor. chování, zpevňující fáze CuAl2

• Mg – obecně zlepšuje vlastnosti slitiny, Mg2Si –důležitá fáze pro vytvrzování

• Fe – riziko zhoršení mech. vlastností tvorbou „jehlic FeAl3“, FeNiAl9 , FeSiAl5, Al15(FeMn)3Si2) 3 9 5 15 3 2

• Mn – zmírňuje neg. účinek Fe (0,5 obsahu Fe)

• Sn – nečistota, způsobuje křehnutí

• Ni – do 2% legura do komplexních slitin (potrojná žárupevná fáze Al3Cu2Ni)

• Ti – zpevňující, žárupevnost, očkovadlo

• Cr – zvyšuje riziko tvorby kalových fází

AlSi9Cu3

AlSi10Mg

AlSi7Mg

AlSi9Cu3

sedimentovaná prim. fáze Al15Mn3Si2

Příprava tekutého kovu• vsázka:

– koupené slitiny (housky) požadovaného složení (40 – 50 ale až 100 %)

– „vratný materiál“ (vtoky, zmetky) stejného složení!!! (až 0, běžně 50 – 60 %)(až 0, běžně 50 – 60 %)

– ale může být i jinak (šrot, třísky, …) nutno však dobře řídit proces a hlídat chemické složení

• obecně pro všechny slitiny podobné

Pece pro tavení slitin Al-Si:

• plynové šachtové

• elektrické odporové• elektrické odporové

• plynové kelímkové

• indukční

Tavení a ošetření taveniny

• vsázka suchá, pevná

– kryté sklady vsázky a vratu!

• kelímky, pece – vysušené• kelímky, pece – vysušené

• dovsazování do pece – předehřáté!!!

• čisté kovy – nejprve ten s nejvyšší teplotou

• nepřekračovat max. teplotu přehřátí → oxidace, naplynění, propal, …

• co nejrychleji → propal, naplynění, …

• v případě nutnosti (slitiny Mg, AlMg, …)

použití krycích přípravků (struska solí,

ochranná atmosféra, …)

• řádně provádět zpracování taveniny (rafinace,

očkování, modifikace, …)

• rafinace = čištění + odplynění

• promíchání a zpracování – nářadí opatřené

nátěrem – suché!!! předehřáté!!!

• minimální manipulace

– nedojde k opětovnému naplynění

Nátěr nářadí

• nesmáčivý, aby se kov na nářadí „nelepil“

• ochrana– nástroje před kovem– nástroje před kovem

– taveniny před sycením železem

• osvědčené: dobře drží a neoprýská– kaolin 400 g

– mastek 150 g

– vodní sklo 100 g

– voda 8 l

Ošetření taveniny

• taveninu ovlivníme metalurgickými procesy a činiteli:

– teplota

– doba prodlev– doba prodlev

– rafinace

– očkování

– modifikace

– odplynění

→ výrazný vliv na kavlitu odlitku!!!

Měření a vliv teploty na jakost taveniny

• teplota slitin Al nepřesáhnout 780˚C !!!

• běžně kolem 750 ˚C

• barva taveniny stále stejná – nutno měřit

• termočlánky NiCr-Ni• termočlánky NiCr-Ni

• krátkodobé kontrolní měření – bez ochranných trubic

• trvale ponořený termočlánek – ochranná trubice (grafit, litina) + ochranný nátěr

• nutno kalibrovat, včas měnit

• nutno teplotu udržovat dle postupu

• přehřívání vede k:

– zvýšená oxidace (→vměstky)

– naplynění (zvýšený obsah rozpuštěného vodíku)

– zvýšený propal prvků

– omezení účinnosti očkování a modifikace– omezení účinnosti očkování a modifikace

– snížení životnosti vyzdívky či kelímků

• nízká teplota – také problém

→ tvorba intermetalických (kalových) fází

Pokles teploty:

– v tavicí peci:

• dlouhodobé udržování

• přelévání do transportních pánví

– v transportní pánvi:

• během úpravy taveniny (odplynění)

– v udržovacích pecích:– v udržovacích pecích:

• dlouhodobé udržování

• přerušení lití (svátky, školení, …)

• přetavování zmetků přímo

– při odlévání:

• v dávkovacích trubicích

• v naběračkách

Metalurgie slitin Al-Si

• Omezení vzniku vměstků či jejich odstranění

• Rafinace

• Odplynění• Odplynění

• Očkování, modifikace

• Tepelné zpracování

• Kontrola

Vměstky

Exogenní – vznikají během tavení a odlévání – reakce s vyzdívkou pece, formou, ...

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

• Oxidické blány (Al + O2 =>Al2O3 v modifikaci γ)

• Makroskopické vměstky kompaktního tvaru

• Mikroskopické (jemné) částice rozložené místně či rovnoměrně

• Intermetalické fáze

Oxidy

• Al reaguje s kyslíkem – pokrytí hladiny tenkou souvislou vrstvou – oxidická blána

• brání další oxidaci – výhoda, ale nesmí se porušit

• negativní vliv oxidů - vměstky:– zhoršují zabíhavost

– zvýšení četnosti a velikosti mikrostaženin

– váží vodík – bubliny

– snižují pevnost

– tvorba nárůstku v peci

– zhoršení obrobitelnosti, zvýšení opotřebení nástroje

– zhoršení kvality povrchu

– zhoršení těsnosti odlitků

• rychlost oxidace závislá na teplotě

• největší vznik oxidů – na počátku natavení,

v kašovitém stavu → velký povrch vsázky

a je přehříván

• největší vznik oxidů – při pomalém tavení• největší vznik oxidů – při pomalém tavení

• oxidy „zabalené“ v tavenině

– špatně se odstraňují

Oxidická blána ve struktuře

Velké částice intermetalické fáze FeSiAl5 v podeutektickém siluminu

Rozsáhlý endogenní vměstek kopírující hranice dendritických zrn

Nekovové vměstky

• cizí částice – vnesené do taveniny

– během tavení

– během zpracování– během zpracování

– během lití

• nalijí se do odlitku

• → zhoršení kvality odlitků a možnosti následného zpracování

Vměstky ve slitinách Al-Si ovlivňují:

• Mechanické vlastnosti (= vruby, snížení nosného průřezu, koncentrace napětí)

• Slévárenské vlastnosti (překážky tečení, zaběhnutí, • Slévárenské vlastnosti (překážky tečení, zaběhnutí, zavalení zejména blan Al2O3)

• Obrobitelnost (tvrdé částice)

• Těsnost

• Povrchové úpravy (zhoršená možnost leštění, eloxování)

Rafinace taveniny

rafinace = čištění = snižování obsahu vměstků

Způsoby:Způsoby:

• Odstátí taveniny

• Vynášení vměstků plynovými bublinami

• Chemická vazba vměstků pomocí krycích a rafinačních solí

• Mechanické zachycování vměstků – filtrace taveniny

Chemická rafinace:

• odstranění oxidických vměstků z taveniny

• snížení propalu hliníku

• snížení obsahu některých nežádoucích prvků, sloučenin

Čím a jak:

• směsi chloridových a fluoridových solí s přísadou aktivních komponent

• reagují s nimi a ovlivňují povrchové napětí mezi kovem a oxidy

• nečistoty se vyplavují ve formě strusky na hladinu

• „stěry“ = oxidy a vměstky + kovová fáze Al � „přetavování stěrů“?

Filtrace• filtry tkaninové, keramické, kovová sítka

• cedítka – keramická

• při přelévání z transportních pánví do udržovacích pecí

• přímo ve formách ve vtokovém systému

Naplynění

• u slitin Al je největší problém vodík

• rozpustný v Al – skoková změna při TT

• z vlhkosti, ze vzduchu, z pece…• z vlhkosti, ze vzduchu, z pece…

• vázán na oxidy

Odplynění slitin Al-Si

97 % plynů v tavenině je H2 , dále vzduch, páry, spaliny, ...

Al + 3H2O => 3H2 + Al2O3

Obvykle se obsah H2 pohybuje od 0,2 do 0,8 cm3/100 g Al.

Obsah H2 závisí na :

• vsázkových surovinách (složení, vlhkost)

• druhu tavící pece (topné medium, vyzdívka, ...)

• druhu a vlhkosti solí

• ...

Vodíková bublina pokrytá vrstvou Al2O3

Porovnání plynové porezity a objemové porezity

H2 lze odstranit:

• probubláváním inertních nebo aktivních plynů plynů

– rotační odplyňovače (FDU)

– odplyňovací trubky

– probublávací kameny

– plyny N, Ar, Cl, F

•• odplyňovacími tabletami, prášky, granule

– rozklad při teplotě cca 600°C za vzniku plynného N, případně Cl či F

– ponorný zvon – soli ke dnu

– reakce dojde na hladinu - stáhnutí strusky

• podchlazením taveniny (neodstraní se H2, ale zamezí se vzniku bublin – čas, ale problém při opětovném zahřátí )

Rotační odplyňovač:

Probublávací kámen

Ovlivnění morfologie struktury slitin Al-Si:

Z důvodu zlepšení mech vlastností (Rp, Rm, tažnost, houževnatost), což závisí na velikosti zrna

(Hall – Petch).

• očkování – zjemnění prim. krystalů Al (α) a Si (β), ovlivnění pevnostních vlastností

• modifikace – zjemnění eutektika (α + β), ovlivnění plastických vlastností

Očkování:přídavkem předslitin, prvků

• primární krystaly Al α

– zejména u podeutektických do 7% Si (α je převážně)

– očkovadla Ti, B, Zr

– fáze Al-Ti-B, Al-Zr

• primární krystaly Si β

– u nadeutektických

– očkovadlo P (70 – 100 ppm)

Modifikace:přídavkem solí, předslitin, předmodifikovaná slitina

• ovlivnění krystalizace eutektika α + β

– u pod- a eutektických

– modifikační přísady Na, Sr, Sb (Ca, Ba, Te)– modifikační přísady Na, Sr, Sb (Ca, Ba, Te)

– Na max. 50 – 100 ppm, účinek časově závislý (max. 30 min.) (soli NaCl, NaF, kovové patrony, exotermické tablety)

– Sr do 400 ppm – zlepšuje zabíhavost, nesmí přijít do styku s P a Cl, má vliv na rozpustnost H (soli, předslitiny Al-Sr)

– Sb – předmodifikované slitiny

– přemodifikování – řetízky Si po hranicích zrn – nová intermetalická fáze

zrnité lamelární modifikované

•

nemodifikovaný eut. křemík modifikovaný eut. Křemíkdesky tyčinky

F litý stav0 ž. na odstranění vn. pnutí nebo stabilizační žíháníT4 RŽ + vytvrzení za studenaT5 umělé stárnutí bez HŽ, stabilizace tvaru a rozměrů

(zlepšení obrobitelnosti, odstr. vn. pnutí) 205 – 260 ºC/7-10 hod

Tepelné zpracování slitin Al-Si

ºC/7-10 hodT6 komplexní tep. zprac., RŽ (520 – 540 ºC/3-6 hod),

rychlé ochlazení, precip. vytvrzení za tepla, 145 – 160 ºC/3-5 hod

T7 s přestárnutímT64 na max. houževnatostT61 na max. pevnost a tvrdostT71 přestárnutí do stabilizovaného stavu

Tepelné zpracování

• vytvrzování (zvýš. HB, Rp, Rm, sníž. A)– podmínkou:

• rozpustnost přísady (Cu, Mg, Ni, Zn) → fáze CuAl2, Mg2Si, Ni3Al, MgZn2

• obsah přísady (dle solvu)• obsah přísady (dle solvu)

– T6 – umělé stárnutí: rozp. žíhání + rychlé ochlazení, precipitace

• žíhání na snížení vnitřních pnutí– u nevytvrzených

– stabilizace rozměrů

– 400 – 450 °C několik hodin, pomalé ochl. v peci

Kontrola účinku metalurgických procesů

• měření naplynění taveniny– tzv. Dichte Index – metoda dvojího vážení

( )100.vzvakvzatmDI

ρρρ −=

– Dross Test, Stauber Pfeifer Test

• termická analýza– na principu přechlazení

– posouzení primárního zrna

– posouzení účinku modifikace

• spektrometrie – chemické složení

vzatmρ

Kontrola chemického složení

• stěžejní parametr – norma, zákazník

• dnes moderní – rychlé – okamžitě

• spektrální analýza – kvantometrie

• pokud vyhovuje – tavenina uvolněna k lití• pokud vyhovuje – tavenina uvolněna k lití

• odběr vzorku – neznečistit!– opatrné promíchání, stažení strusky, správně ošetřené předehřáté nářadí

• kontrola složení též při přejímce housek

měření DI metodou dvojího vážení

termická analýza

12,5%