MOŽNOSTI VYUŽITÍ ODLITKŮ Z HOŘČÍKOVÝCH SLITIN V AUTOMOBILOVÉM PRŮMYSLU

METAL 2002

14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí

MOŽNOSTI VYUŽITÍ ODLITKŮ Z HOŘČÍKOVÝCH SLITIN V AUTOMOBILOVÉM PRŮMYSLU Lubomír Čížek a), Rudolf Kořený b), Adam Hernas c), Ivo Juřička d), Stanislav Lasek a) a)

VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ –TECHNICKÁ UNIVERSITA OSTRAVA, Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství, Katedra materiálového inženýrství, 17. listopadu 15, 70833, Ostrava – Poruba, ČR, [email protected], ČR, [email protected] b) VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ –TECHNICKÁ UNIVERSITA OSTRAVA, Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství, Katedra Slévárenství, 17. listopadu 15, 70833, Ostrava – Poruba, ČR, [email protected] c) POLITECHNIKA ŚLASKA, Wydzial Inźynieii Materialowej, Metalurgii, i Transportu, Katedra nauki o materialach, ul.Krasińskiego 8, 40-019 Katowice, Polsko, [email protected] d) ČKD Motory a.s.- Metalurgie, 501 02 Hradec Králové, ČR, [email protected] Abstrakt Hořčík a hořčíkové slitiny nacházejí stále větší praktické využití zejména v leteckém a automobilovém průmyslu a to pro kombinaci svých specifických vlastností, jako je nízká měrná hmotnost (1 740 kg/m3), hodnota elastického modulu (45 GPa) a pevnostních charakteristik (mez pevnosti 160- 365 MPa). Tento rozvoj se v poslední době pozoruje i v České Republice a studiem hořčíkových slitin se zabývá stále větší počet pracovišť, včetně zájmů mnohých podniků. Předložená práce podává přehled možností využití odlitků z hořčíkových slitin v automobilovém průmyslu. V experimentální části práce jsou pak ověřeny strukturní a mechanické charakteristiky odlitků ze slitiny AZ 91. 1. ÚVOD V současné době lze pozorovat rostoucí zájem o inovací technologií hořčíkových slitin v mnoha průmyslových odvětvích. Důsledkem tohoto trendu je vědeckotechnický rozvoj v této oblasti a výsledky studia struktury, vlastností a aplikace hořčíkových slitin jsou stále více publikovány a prezentovány na mnoha úrovních [1-6]. Jednou z mnoha oblastí využití hořčíkových slitin je automobilový a letecký průmysl a to pro kombinaci svých specifických vlastností, jako je nízká měrná hmotnost (1 740 kg/cm3), hodnota elastického modulu (45 GPa) a pevnostních charakteristik (mez pevnosti 160- 365 MPa). Hořčíkové slitiny mají vysoký poměr napětí / hmotnost (Rm / hustota) srovnatelný s ostatními konstrukčními kovy. Magnesium má relativně dobrou elektrickou vodivost (38,6 % IACS) a tepelnou vodivost (154,5 W/m.K). Rovněž vysoké jsou jeho charakteristiky útlumu, takže je schopen absorbovat elastické vibrace. 1.1 Rozdělení hořčíkových slitin Obvykle slitiny na bázi hořčíku běžně komerčně využívané dělíme podle užití těchto hlavních legujících prvků: manganu, hliník, zinek, zirkonium a prvky vzácných zemin. Toto dělení je následující: • • • •

hořčík – mangan hořčík – hliník – mangan hořčík – hliník – zinek – mangan hořčík – zirkonium

1

METAL 2002

• • • •

14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí

hořčík – zinek – zirkonium hořčík – prvky vzácných zemin – zirkonium hořčík – stříbro – prvky vzácných zemin – zirkonium hořčík – yttrium – prvky vzácných zemin- zirkonium

V poslední době v řadě hořčíkových slitin se objevuje thorium. Jeho užití můžeme sledovat v následujících typech slitin: • hořčík – thorium – zirkonium • hořčík – thorium – zinek – zirkonium • hořčík –stříbro –thorium- prvky vzácných zemin – zirkonium Problém užití thoria je v některých zemích omezen z důvodů, že thorium patří k radioaktivním prvkům. K označování hořčíkových slitin není zaveden speciální mezinárodní systém, ale existuje trend označování těchto slitin na základě dělení podle amerického systému ASTM. Často se k rozdělování hořčíkových slitin využívá kritérií obsahu hliníku jako hlavního legujícího prvku na slitiny s hliníkem a slitiny bez hliníku nebo podobně pro hlavní legující prvek zirkonium na slitiny bez zirkonia a slitiny se zirkoniem. V současné době se vyvíjejí další skupiny hořčíkových slitin, případně kompozitních materiálu s hořčíkem [1-3]. V souvislosti s konečnou formou užití hořčíkových slitin se tyto dělí na: • slévarenské slitiny (casting) • slitiny pro tváření (wrought) • prášková metalurgie 1.2 Výroba a využití hořčíkových slitin pro automobilový průmysl Jak už bylo řečeno výše, hořčíkové slitiny jsou velmi atraktivní ve využití v automobilovém průmyslu z důvodů redukce váhy vozidla, která má přímý dopad na snižování spotřeby paliva a nepřímo na ochranu životního prostředí. Strategie rozvoje hořčíkových slitin se stává rozhodující ve výrobním procesu většiny významných automobilových firem [2]. Pro široké spektrum komponent pro automobily jsou v převážné míře využívány slévárenské slitiny hořčíku v mnoha výrobních modifikacích, i když se rozvíjejí trendy užití slitin tvářených. Nejpoužívanější slitiny pro slévárenské účely jsou slitiny typu Mg-Al-(Zn,Mn), které současně tvoří nejstarší skupinu slitin hořčíku. Její výhodou jsou optimální vlastnosti při poměrně nízkých výrobních nákladech. V poslední době se k výrobě využívá přídavku zirkonia, který má za následek zjemnění zrna a tím dosažení zejména lepších mechanických vlastností, ovšem na úkor vyšší technologické náročnosti výroby a vyšší ceny slitiny. Hořčíkové slitiny jsou využívány v částech motoru a převodové skříni, pro výrobu kol, na šasi i v interiéru. Na příklad koncern Ford předpokládá snížení hmotnosti automobilů Mondeo a Contour o 30%, čímž zredukuje úsporu paliva cca o 50%. Podobný trend je možno sledovat u firem japonských a dalších. Dá se předpokládat, že obdobná situace v nejbližším období se bude vyvíjet i v automobilovém průmyslu v České Republice. Situace našich výrobců je složitější v tom, že zde existuje jediná slévárna hořčíkových slitin v ČKD Motory a.s., závod Hradec Králové, vybavená pouze technologií lití do pískových forem. Z výše uvedeného vyplývá skutečnost, že v tomto příspěvku bude pozornost zaměřena na slitiny slévárenské [5,6].

2

METAL 2002

14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí

2. SLÉVÁRENSKÉ SLITINY HOŘČÍKU Je patrné, že výroba odlitků z hořčíkových slitin je v technicky vyspělých státech zvládnuta. I když výroba odlitků z těchto slitin s sebou nese určité metalurgické problémy při jejich tavení a technologické zvláštnosti při odlévání odlitků, je třeba uvážit především jejich pozitivní vlastnosti: středně vysoké teploty přehřátí a odlévání – mezi 700 až 780 °C, velmi nízká měrná hmotnost slitin – 1 760 až 1850 kg/ m3,možnosti odplyňování a ovlivňování primární licí struktury, velmi dobrá obrobitelnost při mechanickém obrábění, možnost zvýšení hodnot mechanických vlastností tepelným zpracováním. Nižší korozivzdornost ve srovnání se slitinami hliníku se dnes řeší zvýšenou čistotou výchozích materiálů pro tvorbu slitin. Jedním z rozhodujících faktorů dalšího rozšiřování výroby odlitků ze slitin hořčíku je bezesporu cena vstupních surovin, výška výrobních nákladů a s tím související cena odlitků. Tato cena musí být bezesporu vyvážena pozitivním přínosem v případě použití právě slitin hořčíku. Rozhodují také cenové relace mezi odlitky ze slitin hliníku a hořčíku v jednotlivých státech. Ve světě i v České republice je dlouhodobě zavedena a normována slitina s označením AZ91, která může být označena symbolem MgAl9Zn1Mn a která je nazývána Elektron. V současné době platí pro tuto slitinu ČSN 42 4911 z roku 1992. Norma uvádí chemické složení slitiny takto. 7,5 – 9,0 hm. % hliníku, 0,2 – 0,8 hm. % zinku, 0,15 – 0,5 hm. % manganu a zbytek tvoří hořčík, doprovodné prvky se připouštějí maximálně do výše 0,25 hm % křemíku, 0,10 hm. % mědi, 0,08 hm. % železa, 0,01 hm. % niklu, 0,01 hm. % berylia, 0,003 hm. % zirkonia , 0,002 hm. % titanu , celkem doprovodných prvků 0,40 hm. %. V našich podmínkách se odlévají odlitky převážně do pískových forem, ČSN 42 4911 však zahrnuje údaje i pro odlévání do kovových forem a také pro odlitky lité pod tlakem. 2.1 Metalurgie slitin hořčíku Česká republika nevyrábí ani čistý hořčík, ani slitiny hořčíku, a proto je nutno vsázkové materiály nakupovat v zahraničí. Je možno objednávat přímo housky slitiny podle platné ČSN 42 4911 nebo nakupovat jednotlivé potřebné předslitiny Hořčíková slitina AZ91HP – jde o vysoce čistou slitinu s nízkým obsahem železa pro odlitky automobilových kol- se na počátku roku 2001 nakupuje za cca 100,-Kč/kg, slitina A63- hořčíková slitina pro odlitky anod ( do bojlerů, do země) za 97,-Kč, čistý hořčík – Mg (99,9 hm. % ) – za cca 80,-Kč a slitina AlZn6Mn3 za cenu cca 88,-Kč. Je tedy patrné, že ceny jsou vyšší než u slitin hliníku a jsou obdobné jako u slitin mědi. Čistý hořčík má Pilling-Bedworthův poměr menší než jedna, slitiny hořčíku nejsou schopny vytvořit dostatečně souvislou ochrannou vrstvu oxidů, a proto je nutno taveninu chránit krycím tavivem nebo jiným vhodným způsobem. Velmi dobré zkušenosti jsou s tavením slitin v elektrických indukčních kelímkových pecích nízkofrekvenční bez jádra v ocelových kelímcích.) 2.2 Technologie výroby odlitků ze slitin hořčíku Klasická výroba odlitků do pískových netrvalých forem je poněkud odlišná od výroby odlitků z jiných slitin. Je nutno připomenout klasické přidávání síry a kyseliny borité nebo jiných látek do formovací směsi , odlišné řešení vtokových soustav pomocí tzv. lištových vertikálních licích kanálků o rozměrech 35 x 7 mm, zásadní používání podtlakových vtokových soustav s poměry průřezů lištový vtok : lichoběžníkový odstruskovač: zářezy = 1:2:3 nebo 1:2:4. Vtokové zářezy se navrhují ploché , tj. se šířkou v půdorysném pohledu do 60 mm s výškou do 6 mm. Je logické, že se doporučuje použití keramických, kovových cedítek a v optimálním případě keramických filtrů. Technologie výroby odlitků do písku je také charakteristická rozsáhlým použitím vnějších chladítek i poměrně dokonalým nálitkováním. Nálitky jsou obvykle vyšší, štíhlejší proto, že hustota roztavených slitin je velmi nízká , takže metalostatický tlak při dosazování slitiny při tuhnutí je rovněž malý. Větší

3

METAL 2002

14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí

výška zajišťuje vyšší metalostatický tlak a tím přispívá k dosažení co nejvyšší měrné hmotnosti slitiny. Jedním z charakteristických znaků technologie výroby odlitků ze slitiny AZ91 a jejich modifikací je nízké využití tekutého kovu v odlitku, které se pochybuje okolo 50 %, ale může být i nižší. Operace , které souvisí s čištěním odlitků, jsou velmi podobné jako u slitin hliníku, při práci je nutno dodržovat příslušná bezpečnostní opatření. Odlitky ze slitin hořčíku se tepelně zpracovávají, slévárna musí být vybavena příslušnými pecemi pro tepelné zpracování v inertní atmosféře nebo v prostředí s ochrannou atmosférou. 2.3.Další trendy rozvoje výroby odlitků hořčíkových slitin Uplatnění dalších metod výroby odlitků je dáno především počtem požadovaných odlitků. Vysoká sériovost je dnes především u výroby automobilů , takže rozhodujícím faktorem v tomto případě bude použití slitin hořčíku v konstrukci automobilů. Lze očekávat, že bude používána především metoda tlakového lití odlitků ať s teplou nebo studenou tlakovou komorou. Slitiny hořčíku lze také velmi výhodně odlévat gravitačním litím do kovových forem nebo též vyrábět odlitky na nízkotlakém licím zařízení. Při lití odlitků z hořčíkových slitin pod tlakem se navíc v maximální míře uplatní konkurenční výhoda v porovnání se slitinami hliníkovými. V důsledku nižší entalpie při teplotě lití umožňuje rychlejší takt, což spolu s větším množstvím výrobků na jednotku hmotnosti taveniny umožňuje výrazně vyšší produktivitu výroby. Životnost nástrojů a forem, jejichž výroba představuje v technologii tlakového lití nejvyšší náklady, je při lití hořčíkových slitin až o 50% delší než v případě slitin hliníkových, neboť hořčík je v kontaktu s ocelí méně agresivní. Kusová cena odlitku z hořčíkové slitiny se tak může přiblížit ceně odlitku hliníkového. Vynikající slévárenské vlastnosti hořčíkových slitin umožňují odlévat odlitky složitých tvarů a různých velikostí. Důsledným využitím této přednosti je možno vyrobit jako jeden odlitek i díl, který je jinak nutno montovat z několika součástí. V tomto smyslu nabízejí hořčíkové slitiny možnost další úspory nákladů, navíc spojenou s omezením jedné z příčin hlučnosti. Mezi ekonomické přednosti hořčíkových slitin je třeba zařadit také jejich dobrou recyklovatelnost, která dává možnost jednak zpracovávat vlastní odpady přímo ve slévárně, jednak usnadňuje likvidaci součástí po skončení jejich životnosti. Tento faktor nabývá zvláštní důležitosti, neboť v současné době jsou ve vyspělých státech přijímána zákonná ustanovení o povinnosti výrobce zajistit likvidaci vlastního výrobku s maximálním novým využitím použitých materiálů. V perspektivě zvyšování celkové spotřeby hořčíkových slitin je také možno očekávat snižování cen odlitků v důsledku vyššího využití zpracovatelných odpadů. Situace našich výrobců je složitější v tom, že zde existuje jediná slévárna hořčíkových slitin v ČKD Motory a.s., závod Hradec Králové, vybavená pouze technologií lití do pískových forem. Nelze tedy předpokládat okamžité zahájení výroby odlitků, pro kterou tato technologie není vhodná. Nelze ani očekávat, že při současném stavu spotřeby součástí z hořčíkových slitin v českém strojírenství by bylo ekonomicky výhodné investovat do zavedení tlakového lití. Na druhé straně je tu však základ pro dovedení vývoje alespoň do stádia prototypu, který by se pak mohl stát podnětem k úvahám o takové investici. 3. POUŽITÝ MATERIÁL A EXPERIMENTÁLNÍ TECHNIKA Ke studiu struktury a vlastností hořčíkových slitin pro aplikaci v automobilovém průmyslu byly použity odlitky kol automobilu, vyráběné firmou ČKD Motory a.s., závod Hradec Králové ze slitiny AZ91 tepelně zpracované na T4 jak je dáno příslušnými normami pro tuto slitinu. Chemické složení slitiny odpovídalo příslušné normě ČSN 42 4911. Na obr.1 je

4

METAL 2002

14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí

zobrazen řez odlitku kola automobilu s označením vybraných vzorků, užitých pro metalografické pozorování struktury.

KO1-4

KO1-2 KO1-3

KO1-1

Obr.1. Řez odlitkem kola automobilu V průběhu zavádění technologie lití automobilových kol byly v některých případech pozorovány jevy, vedoucí k destrukci kola, resp. k typickým vadám na povrchu kola (obr.2obr.6), zejména v oblasti nálitku, případně byly pozorovány větší či menší řediny po průřezu kola. Výše uvedené makrosnímky byly zhotoveny makrokamerou.

Obr.2. Část odlitku kola s povrchovou vadou

5

METAL 2002

14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí

Obr.3. Detail odlitku kola na obr.2. s povrchovou vadou na vnitřní straně v místě ozn.3.

a)

b) Obr.4. Detaily částí odlitků dalších kol s typickými povrchovými vadami

6

METAL 2002

14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí

c) Pokračování obr.4. Detaily částí odlitků dalších kol s typickými povrchovými vadami Dále byly pro metalografický rozbor odebrány vzorky z dodaného autokola, zobrazeného na obr.1. Označení vzorků bylo provedeno podle schématu na obr.1. 4. HODNOCENÍ VÝSLEDKŮ Byl proveden popis vyskytujících se vad a metalografický rozbor struktury na vzorcích autokola, zobrazeného na obr.1. 4.1 Popis vad odlitků kol Při odlévání hořčíkových slitin lze při odchylkách od předepsaného technologického postupu pozorovat některé typické vady jako jsou pórovitost uvnitř materiálu, vznik dutin na povrchu odlitku, které mohou být způsobeny obsahem plynů v roztaveném kovu, resp. při jejich vylučování ze stěny formy při její nesprávné přípravě před litím (např. obr.3, 4b, 4c). Mikropóry byly rovněž pozorovány v objemu kovu kola zobrazeného na obr.1 v oblasti KO12. Další vady pak mohou vznikat bouřlivou reakcí roztaveného kovu s vnitřním povrchem formy, zejméná při přehřátí taveniny při odlévání, resp. nedostatečném odvodu tepla při tuhnutí (např. obr.4a). 4.2 Metalografický rozbor vybraných vzorků Vzorky byly připravovány standardními metalografickými postupy a leptány nitalem. Metalografický výbrus odpovídá vyznačeným plochám na obr.1: Struktura vzorků zobrazená na obr.5 je tvořená dvěma strukturními oblastmi: majoritní fází, tvořenou tuhým roztokem Al v Mg a lamelární strukturou („podivným eutektikem“v anglické literatuře ozn. „divorced eutectic), tvořenou tuhým roztokem Al v Mg s precipitující fází Al12Mg17 při nerovnoměrném ochlazování na hranicích zrn. Tato fáze se po intenzivnějším naleptání, resp. při menších zvětšeních na obrázcích jeví jako tmavá plocha. Majoritní fáze dále obsahuje dva typy vměstků: a) kulového tvaru – tvrdší , b) tyčinkovitého tvaru – měkčí Struktura a složení precipitujících fází budou diskutovány podrobněji v práci [8]. Z obr.5 dále vyplývá, že struktura po odlití a následném TZ- T4, není stejná ve všech částech kola. Struktura KO1-1 obsahuje největší zrno, pak následuje struktura KO1-3, KO1-2 a struktura KO1-4 má zrno nejmenší a zároveň nejmenší obsah „eutektika“, což odpovídá podmínkám tuhnutí, závisejícich mimo jiné na tloušťce stěny materiálu. 7

METAL 2002

14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí

KO1-1

KO1-2

K01-3

KO1-4

Obr.5. Ukázky mikrostruktury autokola KO1 z míst podle obr.1.

Zv: 200x 8

METAL 2002

14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí

5. ZÁVĚR Cílem tohoto příspěvku je znovu připomenout a upozornit na celkové světové trendy ve využívání moderních progresivních materiálů pro výrobu odlitků. Mezi tyto materiály rozhodně patří slitiny hořčíku se svými fyzikálními, chemickými i mechanickými vlastnostmi. Jejich rozšíření bude dáno potřebou konstruktérů mít k dispozici materiál s nízkou měrnou hmotností a vysokými mechanickými vlastnostmi., to znamená s vysokými hodnotami tzv.specifické pevnosti. Tyto požadavky je nutno spojovat především s rozvojem automobilového průmyslu, případně potřebami výroby spotřebního zboží s velmi nízkou hmotností včetně výpočetní techniky a přístrojů elektroniky. Výroba odlitků ze slitin hořčíku musí být realizována na vysoké technické úrovni, a proto si její realizace vyžádá investice do potřebných strojů a zařízení. Příspěvek má také naznačit, že se Vysoká škola báňská – Technická univerzita v Ostravě spolu s podnikem ČKD MOTORY a.s., Hradec Králové, výrobcem odlitků ze slitin hořčíku, budou v následujícím období zabývat dalšími možnostmi aplikace odlitků ze slitin hořčíku, zejména pro automobilový průmysl. V rámci experimentálních prací byly zvládnuty základní metody studia strukturních charakteristik hořčíkových slitin a jsou rozpracovány další metody identifikace vad, stanovení mikrosegregačních charakteristik, korozních charakteristik a mechanických vlastností. LITERATURA [1] AGHION, E., BRONFIN, B. Magnesium Alloys Development towards the 21th , In Sborník z konference Materiasls Science Forum. Switzerland : Trans Tech Publication, 2000, s. 19-28. [2] ASM Specialty Handbook- Magnesium and Magnesium Alloys, ed. Avedesian, M.M., Baker, H., ASM International, USA, 1999, s. 3-84. [3] PTÁČEK, L., Slitiny hořčíku- současný stav vývoje a použití , In Sborník z konference METAL 2001. Ostrava : Tanger, 2001, s. 1-12. [4] DAVIS,J.R. : Metals Handbook, Desk Edition, Second Edition, ASM International, The Materials Information Society , USA, 1998, s.560- 564. [5] GRÍGEROVÁ,T.,-LUKÁČ,I.,-KOŘENÝ,R. : Zlievárenstvo neželezných kovov,1. vydání, ALFA – SNTL , Bratislava 1988, 421 s. [6] BAMBERGER,M.: Structural refinement of cast magnesium alloys, Materials Science and Technology, Vol.17, January 2001, s.15-24. [7] ČÍŽEK, L., a kol., structure and Properties of the Selected magnesium Alloys, In Sborník z konference Achievements in Mechanical and Materials Engineering, ed. L.A.Dobrzaňski, Gliwice, 2001, s.75-78 [8] ČÍŽEK, L., a kol., bude publikováno

•

Práce byla vytvořena s finanční podporou GAČR č. GA-106/01/1247.

9