Vměstky ve slitinách Al
Metalurgie slitin Al 9 9 9 9 9 9
Hlavní typy vměstků:
Omezení vzniku vměstků
⇒ Oxidické blány ⇒ Makroskopické vměstky kompaktního tvaru
Rafinace
⇒ Mikroskopické (jemné) částice rozložené místně či rovnoměrně
Odplynění
Vměstky negativně ovlivňují : ⇒ Mechanické vlastnosti (vruby)
Očkování
⇒ Slévárenské vlastnosti (překážky v kovu, zejména blány Al2O3, zabíhavost)
Modifikace
⇒ Obrobitelnost (tvrdé částice) ⇒ Těsnost
Kontrola
⇒ Povrchové úpravy (zhoršená možnost leštění, eloxování)
MPL II
7
Cu ve struktuře slitin Al-Si
MPL II
Mg ve struktuře slitin Al-Si
8
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
Ni ve struktuře slitin Al-Si
Fe ve struktuře slitin Al-Si
MPL II
9
MPL II
Typy endogenních vměstků
Rafinace taveniny
Typ
Původ vměstků
Tvar
Velikost (µm)
Al2O3
Struska
Částice, Film
0,2 – 30 10 – 5000
MgO
Struska
Částice, Film
0,1 – 5 10 - 5000
MgAl2O4
Struska
Chloridy, fluoridy TiC
Soli
Částice, Film Částice
0,1 – 5 10 - 5000 0,1 – 5
Zjemňující přísady
Částice
0,1 – 5
TiB2, AlB2
Zjemňující přísady
Fe-Cr-Mn
Chemická reakce – nízká udržovací teplota
Shluky, Částice Částice
1 – 30 0,1 – 3 1 – 50
MPL II
10
Rafinace = snižování vměstků Způsoby rafinace: → Odstátí taveniny → Vynášení vměstků plynovými bublinami → Chemická vazba vměstků pomocí krycích a rafinačních solí → Mechanické zachycování vměstků – filtrace taveniny
11
MPL II
12
2
Rafinační přípravky
Krycí přípravky: Úkol: bránit přímému kontaktu s atmosférickým kyslíkem a s vlhkostí
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
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)
Výsledek: nečistoty vyplavují ve formě strusky na hladinu – „stěry“ – ty obsahují krom oxidů a vměstků i značný podíl kovové fáze Al Æ lze je hutně zpracovávat a využít Al
Pro silumíny se používá výjimečně.
MPL II
13
MPL II
14
Odplynění Al slitin
Filtrace Používají se tkaninové filtry, kovová sítka či keramické filtry – filtrovat se může při přelévání z transportních pánví do udržovacích pecí či přímo ve formách.
Odplyňování = metalurgická operace Æ cílem je snížení obsahu 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
15
Přípustný obsah H záleží :
MPL II
16
Snížení obsahu plynů v Al slitinách se provádí :
¾ Na použité technologii (lití do písku, kokil, tlakově) ¾ Na tloušťkách stěn (rychlosti tuhnutí) ¾ A na účelu použití odlitků
¾ Vakuováním taveniny ¾ Probubláváním taveniny aktivními či neaktivními plyny
Obecně platí Æ 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 Æ vyžaduje intenzivní nálitkování MPL II
17
!!! Pozn. Pouhé odstátí taveniny nemá vliv na snížení plynů v tavenině!!!
MPL II
18
3
Snížení obsahu plynů v Al slitinách vakuováním taveniny
Snížení obsahu plynů v Al slitinách probubláváním taveniny aktivními či inertními plyny
Je založeno na snížení tlaku atmosféry nad hladinou roztaveného kovu Tlak v odplyňovací komoře cca 5 kPa
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
19
Používané plyny:
20
Způsoby odplyňování
Inertní : dusík, argon
Plyny se do taveniny dostávají :
¾ ¾
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 vysoké čistotě (např. dusík o čistotě 99,99 % – z důvodů „neobsahování“ vlhkosti)
Rozkladem odplyňovacích solí V plynné formě
Odplyňovací soli
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 oproti inertním. Naráží však na ekologické předpisy a je výrazně omezováno.
MPL II
MPL II
21
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
Aplikace plynných prostředků se musí provádět, aby byl splněn základní předpoklad dobré účinnosti – tj. co nejmenší velikosti bublin.
22
Rotorové zařízení pro odplyňování
Nosný plyn se vhání do taveniny pomocí:
Firma FOSECO – FDU (Foundry Degassing Unit)
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
23
MPL II
24
4
Očkování Al slitin
Očkování slitin Al
Účel – zjemnění primární fáze vnesením nukleačních zárodků. Očkováním se nemění intenzita ochlazování Æ nemění se ani hodnota DAS Æ 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.
DAS = a.t nf
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 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.
a – konstanta závislá na slitině, n – konstanta rozmezí od 0,3 do 0,5
Očkovací slitiny – dodávají se v tyčích o určené hmotnosti (obvykle ø 10 mm a délka cca 500 mm – zadává se počet tyčí na množství kovu
tf – místní doba tuhnutí
Očkovací soli – cca 1 % hmotnosti vsázky, zvonem se ponoří ke dnu
MPL II
25
MPL II
Struktura slitiny AlSi7Mg
Vliv očkování na vlastnosti Al slitin Zjemnění zrna se projevuje:
¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
26
Neočkované
Snížením sklonu slitiny ke vzniku trhlin
Očkované 0,2 %Ti
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
27
MPL II
Struktura nadeutektické slitiny Al-Si
Modifikace Al slitin
Zvětšení 200x Neočkovaná
28
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)
Očkovaná 0,5 PCl5
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!!! MPL II
29
MPL II
30
5
Modifikace sodíkem
Modifikační prostředky s Na
Na – nejsilnější modifikační prvek – pro získání plně modifikované struktury musí slitina obsahovat 50 – 100 ppm 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
Využití Na je velmi nízké (10 – 20%) – páry způsobují bouřlivý varOdeznívání modifikace – 15 – 20 minut (max. 30 minut) Lze dosáhnout prodloužení modifikačního účinku v udržovacích pecích – používají se tablety s pomalým rozpouštěním.
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:
!!! Modifikuje se vždy až po odplynění !!!
Lití do kokil - 0,02 – 0,12 % Na
z důvodů vysoké afinity Na k F a Cl
Lití do písku - 0,1 – 0,2 % Na (pro tlakové lití se nepoužívá) MPL II
31
Modifikace stronciem
MPL II
32
„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.
Stroncium (Sr) lehký kov, Tt=770°C - použití ve formě předslitin s Al – obsah 3,5 – 10 % Sr
!!! Sb ruší účinek Na a Sr – proto se nedoporučuje používat slitiny modifikované Na a Sb !!!
Aplikace – tyče Ø 10 mm – délka 0,5 m – dávkování počet tyčí na hmotnost taveniny
Přemodifikování slitiny
Dávkování - účinek Sr slabší než účinek Na – obvykle 150 – 200 ppm Sr, u obsahu Si mezi 12 – 13 % až 400 ppm Sr
Překročení optimálního obsahu modifikátoru – vyskytují se hrubé útvary křemíku na hranicích zrn
U Sr je třeba delší doby modifikace – reakce není bouřlivá
Kontrola modifikace: !!! Nehodí se používat pro silnostěnné odlitky lité do písku – nedostatečný účinek !!!
MPL II
33
¾ Chemický rozbor ¾ Termická analýza ¾ Metoda kontroly elektrické vodivosti ¾ Elektrochemická metoda měření MPL II
Eutektikum Al – Si – zvětšení 200x Zrnité
MPL II
34
Eutektikum Al – Si Modifikované – zvětšení 200x
Lamelární
35
MPL II
Modifikované – zvětšení 800x
36
6
Eutektikum Al – Si – zvětšení 200x Částečně modifikované
Kontrola taveniny
Přemodifikované
¾ Měření naplynění taveniny – založeno na měření hustoty kovu – metoda dvojího měření ¾ ¾
MPL II
37
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).
Kontrola chemického složení – spektrometrie Termická analýza
MPL II
38
Výpočet metody
mvzH 2O
Objem vzorku:
Vvz =
Hustota vzorku:
m m ρ vz = vzatm = vzatm .ρ H 2O Vvz mvzH 2O
ρ H 2O
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) (ρ − ρ vzvak ) .100 DI = vzatm (%) – ideální je do 4 %
ρ vzatm
MPL II
39
MPL II
40
Tavení slitin Al Typy pecí pro tavení Al slitin
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
Elektrické odporové – kelímkové, komorové Plynové – kelímkové, šachtové Elektrické kelímkové indukční – nízkofrekvenční – již
Vratný materiál – vtoky, nálitky, zmetky
velmi omezeně
Nejpoužívanější rozsah je podíl 40 – 60 % vratného materiálu, zbytek housky slitin.
MPL II
41
MPL II
42
7
Příklad vizualizace šachtové pece, přehled termočlánků
Šachtové pece a jejich princip • Posuvné dveře zavážecího otvoru
Příklad vizualizace na Touch-screen obrazovce – obecná kontrola stavu pece
• Horní kryt šachty • Předehřívaná vsázka • Tavící hořáky • Hořák udržovací komory • Čistící dvířka tavící komory možnost odstranění ocelových zálitků
r
• Odpichový ventil
Zjednodušený výkres vyzdívky Šachtové pece MPL II
43
MPL II
Pece s malým výkonem - nesklopné Tavící komora je nad udržovací komorou
Schéma tavení v šachtové peci
Dosažení nejnižšího propalu: => krátká doba setrvání vsázky v přímém kontaktu s plamenem
Předehřívaná vsázka
44
Odpadní spaliny 300°C
Tavící hořák - plamen se nedotýká housek
=> ¾ maximální předehřev vsázky ¾ ihned po natavení „sklouzává“ materiál do udržovací komory ¾ plamen se nedotýká vsázky
Čistící otvor tavícího mostu Přechod taveniny z tavící do udržovací komory Tavící most Typ pece MH – díky této konstrukci zabírá méně místa
MPL II
45
Pece s tavícím výkonem nad 1 tunu Al /h tavící komora je vedle komory udržovací
Detail odpichového ventilu
MPL II
46
Sklopné pece Laserové snímání šachty, vážící buňky, zavážení
Díky „banánu“ je možné tavit i během sklápění pece Vylévací žlab
• Laserový snímač zaplnění šachty
Tavící komora je „nalepena“ na komoře udržovací
• Otvor komínové šachtě pro laserové paprsky • Rám pro uložení 2 nosných bloků a hydraulického válce
9 Nižší hodnota DI a minimální vznik oxidů – natavený materiál stéká do udržovací komory
• Uložení 4 vážících buněk
9 Snazší čištění pece – lepší přístup k tavícímu mostu MPL II
47
MPL II
48
8
Proč jsou šachtové pece tolik rozšířené 1
Proč jsou šachtové pece tolik rozšířené 2
9 spotřeba energie pro tavení a ohřev na vylévací teplotu < 600 kWh / t Al (u kelímkových plynových pecí je uváděno 1300 – 1350 kWh / t Al)
9 snadné čištění, možnost odstranění železných zálitků bez rizika zvýšení procenta železa v tavenině
9 ztráty kovu = (propal + stěry) při 50% vratu a 50% housek
9 Snadná obsluha celého zařízení
< 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 9 vysoké využití tepla – teplota odpadních spalin
9Snadná údržba
< 300°C 9 Žádné problémy s ekologií a množstvím NOx ve spalinách
9 kontinuální odběr materiálu – ustálená tavenina je stále k dispozici v nastavené teplotě, která kolísá v rozmezí ± 6°C
9 Archivace a zpětná kontrola všech procesních dat
9 snížení rizika exploze housek
¾ množství nataveného a odebraného materiálu
9 vyšší kvalita kovu – nedochází k vycezování tvrdých vměstků ponořením housek do taveniny
MPL II
¾ skutečná spotřeba plynu ¾ aktuální ztráty kovu (sledování zaváženého množství kovu, množství stěrů a nečistot při čištění pece 49
MPL II
50
9
