Problematika stanovování hodnot mechanických vlastností slitin hliníku litých (nejen) pod tlakem

53. S L É VÁ R EN SK É D N Y® – V Y B R A N É P Ř ED N Á ŠK Y

B . B r y k s í St u n o v á

P r o b l e m a t i k a s t a n o v o v á n í h o d n o t m e c h a n i c k ý c h v l a s t n o s t í s l i t i n h l i n í ku l i t ý c h (n e j e n) p o d t l a ke m

Problematika stanovování hodnot mechanických vlastností slitin hliníku litých (nejen) pod tlakem

Ú vo d

Problems of determination of values of mechanical properties of (not only) high pressure die cast aluminium alloys

Jak je obecně známo, hliník a jeho slévárenské slitiny ve srovnání s typickým konstrukčním materiálem, jako je ocel, mají nižší hodnoty mechanických vlastností a jejich významným pozitivem je nízká hustota a právě dobré technologické vlastnosti – slévatelnost, obrobitelnost, možnost tepelného zpracování nebo např. vhodnost k některým povrchovým úpravám. Budeme-li je porovnávat s litinou, pak jejich plusem zůstává nízká hustota a možnost odlévat je pod tlakem. U odlitků obecně, a nejinak u slitin hliníku, bývá z mechanických vlastností a charakteristik nejvíce sledována mez pevnosti v tahu Rm, mez kluzu – vzhledem k charakteru materiálu Rp0,2, tažnost A a tvrdost HB. Obecné porovnání slitin hliníku určených pro odlitky, ocelí a litin je uvedeno v tab. I.

Received: 29.08.2016 Received in revised form: 31.08.2016 Accepted: 31.08.2016 669.715 : 539.3/.5 Al alloys—mechanical properties

Foundr y industr y as an applied branch fight s with problems connec ted with a dif ference bet ween theoretical presupposition and real output. The thing is that there are many ex ternal and internal influences entering the process, which we are able to take into account fully, par tially or which can not be considered at all in technical preparation of manufac ture. Determination of mechanical proper ties of cast material, respec tively direc tly castings, represent s quite a specific field. The aim of this ar ticle is to summarize these issues, to clarif y terms and to outline the possibilities of determination of mechanical proper ties values of castings.

Ing. Barbora Bryksí Stunová, Ph.D. Č V U T v P r a z e, Fa k u l t a s t r o j n í , Ú s t a v s t r o j í r e n s ké t e c h n o l o g i e, s k u p i n a s l é v á n í T h e C z e c h Te c h n i c a l U ni ver sit y in P rague, Facult y of M e chanic al Engine er i n g , D e p a r t m e n t o f M a n u f a c t u r i n g Te c h n o l o g y, t h e G r o u p o f F o u n d r y Te c h n o l o g y

350

S l é vá re ns t v í . L X I V . z á ř í – ř í j e n 2016 . 9 –10

Slévárenství jakožto aplikovaný obor se potýká s problémy souvisejícími s rozdílem mezi teoretickým předpokladem a reálným výstupem. Do procesu totiž vstupuje mnoho vnějších a vnitřních vlivů, které umíme zcela, částečně anebo vůbec zohlednit v technické přípravě výroby. Zcela specifickou oblastí je zjišťování a stanovování hodnot mechanických vlastností litých materiálů, resp. přímo odlitků. Tento článek si klade za cíl shrnout tuto problematiku, objasnit pojmy a nastínit možnosti stanovování hodnot mechanických vlastností odlitků. D ů l e ž i t é m e c h a n i c ké v l a s t n o s t i o d l i t k ů

N o r my a p o ž a d av k y z á ka z n í k ů Přestože hodnoty vybraných mechanických vlastností jsou uvedeny v normě ČSN EN 1706 (42 1433), pro slévárny je závazný předpis zákazníka stanovující požadovaná minima hodnot mechanických vlastností včetně způsobu jejich stanovování, podobně jako např. chemické složení, míru a charakter přípustných vnitřních vad apod. U odlitků ze slitin hliníku (zejména určených pro automobilový průmysl) bývají specifikovány tzv. strukturní a další díly, u kterých nejsou tak vysoké nároky na hodnoty mechanických vlastností, může být sledována např. tvrdost, většinou však bývá sledována vnitřní kvalita. Automobilové strukturní díly (často se také užívá pojem strukturální, který vyplývá z anglického výrazu „structural“) jsou díly, které buď/a/nebo: nesou hmotnost automobilu, absorbují rázy od nerovností vozovky, absorbují a přenášejí energii nárazu, jsou součástí ochrany pasažérů při nárazu, určují tvar karoserie, drží motor apod., mají klíčovou roli v provozu automobilu a bezpečnosti pasažérů. Jedná se zejména o díly karoserie a podvozku, příčníky, držáky motoru, deformační zóny a převodníky energie, platformy montáže jednotek řízení a náprav, závěsy, výztuhy nárazníků, rámy sedadel apod. Tyto díly se dělí dle charakteru aplikace na díly deformační, kde je sledována zejména tažnost, díly pevnostní a díly s vysokou pevností, kde je rozhodující mez kluzu a mez pevnosti v tahu. Ukázka dosažitelných hodnot mechanických vlastností vybraných slitin pro strukturální díly je v tab. II. Další díly určené pro automobilový průmysl, ale i jiné díly lité tlakově, mají různé požadavky na mechanické vlastnosti specifikované zákazníky sléváren. Často jsou požadovány minimálně hodnoty uvedené v materiálové normě, případně zákazník, má-li např. specifické požadavky na chemické složení, požaduje dosažení konkrétních hodnot mechanických vlastností. Zákazníci také mohou specifikovat, jak se mají tyto hodnoty zjišťovat, tzn. kde je možné odebrat vzorek pro vý-


Tab. I. Orientační hodnoty mechanických vlastností vybraných litých materiálů Tab. I. Approximate values of mechanical properties of chosen cast material mez pevnosti Rm [MPa]

tažnost A [%]

tvrdost [HB]

(100–290)1)

100–400

<1

180–270

litiny s kuličkovým grafitem

210–600

400–900 (1500) 2)

2–22

160–360

uhlíkové oceli na odlitky

200–350

400–1000

7–27

103–193

slitiny Al-Si

70–180 (260)3)

150–250 (290) 3)

< 1–5 (12)3)

45–90 (125)3)

slitiny Al-Cu

(180–325) 3)

(280–410) 3)

(2–8) 3)

(85–120)3)

litiny s lupínkovým grafitem

Pozn.: 1) smluvní mez kluzu Rp0,1, 2) u ADI litin, 3) po TZ

robu zkušební tyče, kolik tyčí má být přetrženo a kolik jich musí vyhovět. To je však spíše ojedinělé. Jiná situace je u tvrdosti. Tvrdost včetně způsobu měření předepisují zákazníci tlakových sléváren běžně. O d b ě r v z o r k ů p r o z ko u š k y m e c h a n i c k ýc h v l a s t n o s t í

Tlakové lití je kromě „lití pod tlakem“ charakterizováno zejména „tuhnutím pod tlakem“ a dosazováním kovu pro kompenzaci objemových změn během chladnutí tekuté fáze a během tuhnutí přes vtokovou soustavu. Tento fakt má rozhodující význam z pohledu vzniku vnitřních vad odlitku, zejména dutin, které významně ovlivňují hodnoty mechanických vlastností odlitku jako celku. Kromě toho vstupují do hry ještě další vlivy, jako je konstrukce formy zejména

Tab. II. Mechanické vlastnosti vybraných slitin pro strukturní díly a specifické aplikace tlakových odlitků [1] Tab. II. Mechanical properties of chosen alloys for structural parts and specific applications of die castings [1] Slitina

složení

stav

mez kluzu Rp0,2 [MPa]

mez pevnosti tažnost tvrdost Rm [MPa] A [%] [HBW]

Silafont-09

AlSi9

F

120–180

240–280

4–8

Silafont-36

AlSi10MnMg

F

120–150

250–290

5–11

55–80 75–95

Silafont-36

AlSi10MnMg

T6

210–280

290–340

7–12

90–110

Silafont-36

AlSi10MnMg

T5

155–245

275–340

4–9

80–110

Silafont-36 AlSi10MnMg T4 95–140 210–260 15–22 60–75 Největším úskalím stanovování hodnot mechanických vlastností tlakově litých Silafont-36 AlSi10MnMg T7 120–170 200–240 15–20 60–75 odlitků bývá odběr vzorku. Stále platná Silafont-38 AlSi10MnMgZn F 140–160 270–300 3–7 norma ČSN 42 0332 [2] z roku 1982 Silafont-38 AlSi10MnMgZn T6 do vody 230–270 300–345 6–9 stanovuje kromě tvaru zkušební tyče T6 na Silafont-38 AlSi10MnMgZn 180–200 250–275 8–10 vzduchu přímo i geometrii dutiny formy pro od1) 1) 220–340 8–181) Magsimal-59 AlMg5Si2Mn F 140–220 lití odděleně litých zkušebních těles 1) Pozn.: dle tloušťky stěny pro zkoušku tahem, jak na stroji se studenou horizontální komorou, tak s vertikální komorou pro slitiny hliníku a slitiny zinku. K tomu definuje pro dané z pohledu průběhu plnění dutiny a jejího odvzdušnění a jiné uzavírací síly stroje i průměr komory, lisovací tlak a dotlak. technologické aspekty. Sama norma ČSN EN 1706 (42 1433) Co nám však řeknou hodnoty mechanických vlastností naměv poznámce uvádí, že „Mechanické vlastnosti tlakových odlitřené na samostatně odlitých vzorcích o vlastnostech odlitku ků jsou velmi závislé na parametrech vstřikování a vlastnosti reálného dílu? Pouze velmi málo. Dají nám pouze určitou v tabulce (myšleno hodnoty mechanických vlastností pro tlapředstavu o vlastnostech odlévaného materiálu, to je však kové lití uvedené v příloze normy, pozn. aut.) jsou pouze vojen dílčí faktor ovlivňující výslednou kvalitu dílu. Kromě matedítkem.“ [3] Proto je žádoucí odebrat vzorky pro tahovou riálu (jeho chemického složení, čistoty – tzn. obsahu nežádouzkoušku přímo z odlitku. To však může být vzhledem k chacích prvků, kovových a nekovových vměstků, rozpuštěných rakteru geometrie tlakových dílů problematické – viz níže. plynů atd.) jsou výsledná kvalita odlitku a potažmo dosažeSama norma ČSN EN 1706 (42 1433) uvádí, že: „Odděleně litá né hodnoty mechanických vlastností ovlivněny konstrukcí zkušební tělesa mají cennou funkci jako kontrola kvality tavby. formy, technologickými parametry lití a zejména tuhnutí.

Tab. III. Mechanické vlastnosti odděleně litých zkušebních těles z příbuzných slitin litých různými technologiemi dle ČSN EN 1706 [3] Tab. III. Mechanical properties of test specimen cast separately from related alloys cast by different technologies according to the Czech Standard ČSN EN 1706 [3] označení slitiny Skupina

AlSi9Cu

číselné

chemickými značkami

technologie

smluvní mez kluzu Rp0,2 [MPa] min.

mez pevnosti v tahu Rm [MPa] min.

tažnost A [%] min.

tvrdost [HBW] min. 60

EN AC-46200

AlSi8Cu3

S

90

150

1

EN AC-46200

AlSi8Cu3

K

100

170

1

75

EN AC-46200

AlSi8Cu3

D*

140

240

1

80

EN AC-46000

AlSi9Cu3(Fe)

D*

140

240

<1

80

EN AC-46500

AlSi9Cu3(Fe)(Zn)

D*

140

240

<1

80

Pozn.: stav litý S – do pískové formy, K – do kovové formy, D* – tlakově – hodnoty jsou pouze vodítkem. Tyto nejsou typickými hodnotami, ale jsou minimálními hodnotami, které je možno očekávat na odděleně tlakově odlitých tělesech příčného průřezu 20,0 mm2 s typickou tloušťkou stěny 2,0 mm.


351


mez kluzu Rp0,2 [MPa]

Materiál





Avšak hodnoty získané z odlitků smí být odlišné od minimálních hodnot stanovených v tabulkách kvůli změnám struktury vznikajícím v rozdílné tloušťce stěn a celistvosti odlitku.“ a dále „Zkušební tlakově odlitá tělesa nejsou vyráběna pravidelně. Zkouška celého odlitku zatížením odrážejícím zamýšlené podmínky provozu je významnější. Hodnoty uvedené v tabulce (hodnotyy mechanických vlastností, pozn. aut.) jsou pouze vodítkem. Tyto nejsou typickými hodnotami, ale jsou minimálními hodnotami, které je možno očekávat na odděleně tlakově odlitých tělesech příčného průřezu 20,0 mm2 s typickou tloušťkou stěny 2,0 mm.“ [3]. Zajímavé je srovnání slitin podobného chemického složení litých různými technologiemi (tab. III). Byly vybrány slitiny řady 46 (AlSi9), které se různými technologiemi odlévají (kromě lití na vytavitelný model) a jsou běžně používané. Pro upřesnění, jedná se o hodnoty mechanických vlastností očekávatelné na odděleně litých zkušebních tělesech. Zatímco u lití do písku a do kovové formy jsou tyto hodnoty stanoveny přímo v normě, hodnoty pro tlakové lití jsou pouze informativní – norma je uvádí v příloze. Pro gravitační lití do písku a pro kokilové lití dále platí, že: „Pro smluvní mez kluzu a mez pevnosti v tahu smí být hodnoty získané na odlitcích (u zkušebních těles odebraných z odlitků, pozn. aut.) vyšší než hodnoty stanovené v tabulkách… nebo nižší, ale ne méně než 70 % stanovených hodnot. Pro tažnost smí být hodnoty získané na odlitcích vyšší než hodnoty stanovené v tabulkách nebo nižší až o 50 % ve stejném místě odběru.“ [3]. Jak je z tab. III zřejmé, nejvyšší hodnoty mechanických vlastností (kromě tažnosti) se očekávají u tlakového lití, což odpovídá obecné představě a teoretickým předpokladům. Je však nutné přijmout fakt, že pórovitost je přirozenou vlastností tlakově litých odlitků a z výše uvedených důvodů je vnitřní kvalita a potažmo vlastnosti reálných odlitků rozdílná, než jakou lze vyhodnotit na zkušebních tělesech odděleně litých za optimálních podmínek. Často se přistupuje k odběru vzorků ze vtoku. To však opět není vhodné řešení, neboť z výše uvedených důvodů vypovídá spíše o vlastnostech materiálu, nikoliv o komplexních vlastnostech odlitku. Vtok je totiž plněn a tuhne za téměř ideálních podmínek – je prohřátý, znečištěné čelo proudu kovu jím pouze proteče a ve vtoku nesetrvává, je maximálně odvzdušněn a tuhne za plného dotlaku po celou dobu jeho působení, protože není závislý na tloušťce naříznutí. Výjimečně se přistupuje k výrobě přilitých zkušebních těles. Ve formě je kromě otisků odlitků vytvořena i dutina zkušebního tělíska, do které je kov přiváděn z centrálního vtoku vtokem a přes naříznutí. Toto řešení je kompromisní, odráží kromě vlastností materiálu i vliv technologických parametrů. Záleží na tvaru tělesa, charakteru jeho plnění a tuhnutí, míře jeho obrábění atd. Přesto lze předpokládat, že teoreticky bude mít lepší vnitřní kvalitu než charakteristický design tlakového odlitku vzhledem k absenci tepelných uzlů, a tedy i vyšší hodnoty mechanických vlastností. Jak již bylo uvedeno, nejlepší výpověď o vlastnostech odlitku dají zkušební tělesa odebraná přímo ze stěn odlitku. Norma ČSN EN 1706 (42 1433) uvádí, že „Jestliže jsou zkušební tělesa odebrána z odlitků, pak jejich geometrie, umístění, četnost zkoušek a odpovídající hodnoty musí být dohodnuty mezi dodavatelem a odběratelem.“ [3]. To je logické, protože každý tlakový odlitek je jiný co do konstrukce a ne všechna místa odlitku mají požadavky na minimální hodnoty mechanických vlastností. Jsou však charakteristické rysy, které lze najít u většiny tlakových odlitků, nebo alespoň u těch složitějších a určených pro pevnostní aplikace či tlakotěsnost. Jsou to zejména:

352


– komplexnost a složitost tvaru, – mnohá napojení stěn a s tím související četnost tepelných uzlů, – obecně malá tloušťka stěn, ideálně jednotná, reálně však variující od 1 do cca 8 mm u běžných odlitků, – žebra a výstupky, – kromě velkých děr (např. nábojů) i malé předlité díry (např. pro šrouby či kolíky), – rádie v napojení stěn (z technologických důvodů čím větší, tím lépe), – další. To vše jsou aspekty, které komplikují odběr vzorků. Budeme-li chtít na odlitku naměřit maximální hodnoty mechanických vlastností, budeme hledat místo pro odběr vzorku, které neobsahuje žádný tepelný uzel a které nemá významně proměnnou tloušťku stěny. Ideální by bylo vzorek pouze vyříznout a neobrábět – tzn. neubírat vrchní vrstvu materiálu, tzv. chill layer, která má obecně vlivem vyšší rychlosti tuhnutí předpoklad vyšších hodnot mechanických vlastností. To však nebývá vždy možné. Často je nutné tuto vrstvu obráběním odebrat, aby se dosáhlo požadovaných rozměrů zkušebního tělesa. Zároveň je pravděpodobné, že v rámci délky odebíraného tělesa se bude vyskytovat nějaké napojení stěny, proto je vždy nutné předpokládat vnitřní vady, zejména pak sníženou hustotu materiálu až pórovitost způsobenou přítomností tepelných uzlů. Pak už do hry vstupují právě konstrukce formy a technologické parametry, které buďto pomohou předejít vnitřní nekvalitě, nebo ji podpoří. Otázkou jsou také tvar a velikost zkušebního tělesa. Norma ČSN EN ISO 6892-1 (42 0310) – ČSN EN 10002-1, ale i norma ČSN EN 1706 (42 1433) a další předpisy předpokládají u odlitků jako zkušební těleso tyč kruhového průřezu. Bohužel právě u tlakových odlitků je často vytvoření tělesa o určitém minimálním průměru nereálné. Přistupuje se tedy k výrobě těles s obdélníkovým průřezem. Pak už průřez a rozměry nejsou normou vázány. Obecně platí, že čím větší těleso lze vyrobit, tím lépe, jelikož o to menší vliv budou mít vnitřní vady na výsledné hodnoty mechanických vlastností. Délka zkušební části by zejména z pohledu tažnosti měla respektovat určitá pravidla. Zkušební tyč by měla respektovat poměr průřezu a délky. Používají se tzv. poměrné tyče, kde počáteční měřená délka je vztažena k počátečnímu průřezu dle vztahu: L0 = k S 0 (1) kde: L0 – délka zkušební tyče zaokrouhlená na nejbližší násobek 5 mm k – mezinárodně stanovená hodnota 5,65 (ev. 11,3 pro dlouhou zkušební tyč, mají se však používat výhradně tyče krátké). Tažnost vyhodnocená na poměrných tyčích se dříve označovala A5 u krátké tyče pro hodnotu k = 5,65, nebo A10 pro dlouhou tyč s k = 11,3. Pro nepoměrné zkušební tyče je délka L0 zaokrouhlována na nejbližší násobek 5 mm za předpokladu, že rozdíl mezi vypočtenou a označenou délkou je menší než 10 % L0, nejméně však 20 mm. Délka L0 musí být určena s přesností ± 1 % a označena značkou nebo ryskou, která netvoří vrub, jenž by mohl vyvolat předčasný lom. Délka tyče L0 je nezávislá na počátečním průřezu S 0. Je nutno brát v úvahu, že hodnota tažnosti bude tím větší, čím kratší měřenou délku zvolíme, neboť v místě zaškrcení se vzorek nejvíce prodlužuje. Jak již bylo uvedeno, je nutné, aby si zákazník definoval místa, kde jsou pro něj vnitřní kvalita a tedy i hodnoty mechanických


M ěř e n í, r e s p. s t a n ovová n í h o d n o t m e c h a n i c k ýc h v l a s t n o s t í U litých slitin hliníku se vyhodnocuje zejména mez pevnosti v tahu Rm, mez kluzu – vzhledem k charakteru materiálu Rp0,2, tažnost A a tvrdost HB, nejčastěji HBW. Norma ČSN EN 10002-1 (ČSN EN ISO 6892-1 (42 0310)) předepisuje smluvený způsob provádění tahové zkoušky. Měření tvrdosti se řídí ČSN 42 0371 a EN ISO 6506-1. V odborných textech je často možno setkat se s nesprávným označením těchto veličin, proto je zde uveden správný způsob označení, který je definován normou a měl by se dodržovat. Pro mez pevnosti v tahu, mez kluzu i tažnost platí, že veličina (R, A) je zapsána velkým písmenem kurzívou, její upřesnění (m, p0,2 atd.) je zapsáno jako index a není kurzívou. U tažnosti se již neuvádí index vyjadřující, zda byla vyhodnocena z krátké či dlouhé poměrné tyče – viz výše. Mez pevnosti v tahu je hodnota napětí odpovídajícího největšímu zatížení, které předchází přetržení zkušební tyče. Je to hodnota smluvní, neboť toto napětí je vypočteno z maximální síly Fmax vztažené k původnímu průřezu S 0. Mez pevnosti je charakteristickou veličinou používanou pro porovnání materiálů, i když často je vzhledem k charakteru použití pevnostních dílů výmluvnější mez kluzu, tedy napětí (zatížení), které díl snese, aniž by se deformoval plastickou deformací. Mez kluzu je rozhraní mezi pružnou a plastickou deformací. Slitiny hliníku nemají výraznou mez kluzu, a proto je vyhodnocována smluvní mez kluzu určená z trvalé deformace pod zatížením, která je definována jako napětí, které způsobí 0,2 % trvalé deformace. Teoreticky se stanoví tak, že se zjistí napětí, při kterém trvalá deformace dosáhne předepsané hodnoty vyjádřené v procentech (0,2 %) počáteční měřené délky zkušební tyče. Prakticky může být někdy určení této předepsané hodnoty trvalé deformace vzhledem k průběhu tahového diagramu náročné, a přestože je u trhacích strojů vybavených příslušným softwarem hodnota smluvní meze kluzu automaticky spočítána, nemusí odpovídat předpokladu a být spočítána správně. Proto je vhodné znát pro daný materiál modul pružnosti v tahu. Ten se z tahové zkoušky běžně nevyhodnocuje, ale znalost jeho předpokládané hodnoty může napomoci ke správnému stanovení meze kluzu, resp. i tažnosti a k jejich kontrole. Modul pružnosti v tahu je definován Hookovým zákonem jako směrnice počáteční přímkové části tahového diagramu síla – poměrné celkové prodloužení. A právě tato směrnice slouží k vynesení rovnoběžky pro stanovení smluvní meze kluzu. U slévárenských slitin Al-Si se hodnota modulu pružnosti pohybuje kolem 70 GPa. To je vhodné na

vypočítaných výsledcích ověřit, a pokud se hodnota modulu pružnosti výrazně liší, přičemž mez pevnosti přibližně odpovídá předpokladu, je vhodné manuálně v tahovém diagramu směrnici dle modulu pružnosti vynést a k ní potom sestrojit rovnoběžku pro stanovení smluvní meze kluzu. Smluvní mez kluzu by měla být stanovena z prodloužení měřené délky zkušebního tělesa, často je však u trhacích strojů vybavených příslušným zařízením se softwarem vyhodnocena z posuvu příčníku. To do výpočtu vnáší chybu, která sice není významná, ale výsledek ovlivní směrem k vyšším hodnotám, protože v posuvu příčníku je zahrnuta plastická deformace celé délky tyče, nikoliv pouze deformace měřené délky. Tažnost je poměrné prodloužení měřené délky zkušebního tělesa. Dříve se vyhodnocovala změřením trvalého prodloužení měřené délky tělesa mezi ryskami po přiložení částí přetržené tyče k sobě, dnes je běžné snímání prodloužení průtahoměrem pomocí nalepených reflexních pásek. Jak již bylo uvedeno, hodnota tažnosti je významně ovlivněna délkou zkušební tyče, resp. měřenou délkou (kratší měřená délka dá vyšší hodnoty tažnosti vzhledem k zaškrcení, kde se tyč nejvíce prodlužuje). Do značné míry je tažnost ovlivnitelná právě i způsobem měření, resp. jejího stanovení, podobně jako u meze kluzu. Proto je vždy vhodné ověřit, jak byla vyhodnocována, aby byly hodnoty tažnosti poměřitelné. Tvrdost dle Brinella HBW je definována jako odpor materiálu proti deformaci cizím tělesem, kterým je kulička ze slinutých karbidů. Kulička o průměru D je působením síly F směřující kolmo k povrchu tělesa vtlačována po stanovenou dobu, změřením průměru d vtisku po odlehčení je definována tvrdost HBW jako poměr působícího zatížení F k ploše povrchu kulového vtisku A. Zkoušený povrch musí být rovný a hladký, nejlépe broušený. Musí být vyloučeny změny vlastností povrchu ohřevem nebo tvářením za studena. Pro slitiny hliníku se nejčastěji používají kuličky o průměru 5 mm. Tvrdost podle Brinella je závislá na zatížení, neboť plocha vtisku není zatížení přímo úměrná, proto je při srovnávání nutné zatížení uvádět. Vzhledem k tomu, že tvrdost (ale i další vlastnosti) slitin hliníku obsahujících měď a/nebo hořčík se mění v čase, je důležité uvádět, jak dlouhý byl odstup mezi odlitím a měřením tvrdosti. Norma ČSN EN 1706 (42 1433) přímo uvádí, že hodnoty v tabulkách mohou být dosaženy po setrvání několika dní při pokojové teplotě. Obecně, chceme-li získat rozumné hodnoty tvrdosti na tlakových odlitcích, je vhodné ji měřit minimálně 3 dny po odlití. Přestože na přirozené stárnutí má největší vliv obsah mědi, i u slitin obsahujících hořčík tento jev zaznamenáváme. Je to způsobeno nerovnovážností stavu, ve kterém je odlitek vlivem rychlého ochlazení při procesu tlakového lití zachycen. Podle hodnoty tvrdosti lze usuzovat i na další mechanické vlastnosti materiálu, resp. je prokázána relace mezi nimi. Jedná se zejména o mez kluzu a mez pevnosti. Pro mez pevnosti platí přímá závislost na tvrdosti dle vztahu: Rm = k · HB

(2)

kde: k – koeficient závislý na materiálu, přičemž hliník má tuto hodnotu přibližně 2,6. Na tomto principu je založena indentační metoda ABI (Automatic Ball Indentation) stanovování hodnot mechanických vlastností, která se jeví jako vhodná alternativní metoda ke stanovování hodnot mechanických vlastností bez nutnosti výroby/odběru zkušebního tělesa. Tato metoda je vyvíjena na ČVUT v Praze a průběžně testována např. [4], [5].


353


vlastností důležité a kde je chce měřit. Pak by se měla pozornost slévárny na tato místa zaměřit jak z pohledu konstrukce formy, tak z pohledu technologických parametrů a v těchto aspektech by měla být dodržena základní pravidla. Nejvýhodnější, jak již bylo uvedeno v citaci z normy, je zkoušení celého odlitku ve zkušebním přípravku či v zástavbě zatížením simulujícím reálné provozní namáhání. Tím sice nezískáme hodnoty mechanických vlastností dle smluvních způsobů zkoušení, získáme tím ale tu nejcennější informaci: zda odlitek požadované namáhání vydrží, či ne, resp. jaké hodnoty zatížení je schopen přenést. Je-li to podloženo dostatečně velkým počtem zkoušených kusů, optimálně litých při různých technologických parametrech, pak se jedná skutečně o ověření nejen vlastností dílu samotného, ale i technologického procesu.





Z ávě r Závěrem lze shrnout následující: – Hodnoty mechanických vlastností v podstatě neměříme, ale „stanovujeme“ je, protože mnohé vlastnosti jsou smluvní a i při dodržení závazných předpisů lze výsledek ovlivnit. Při srovnávání hodnot mechanických vlastností u různých odlitků je nutné znát podmínky průběhu zkoušek. – Hodnoty mechanických vlastností uvedené v normě ČSN EN 1706 (42 1433) jsou pro tlakové odlitky pouze orientační, jelikož se vztahují k odděleně litým zkušebním tělesům. Reálné hodnoty u odlitků se mohou výrazně lišit, neboť jsou kromě materiálu ovlivněny také konstrukcí formy, technologickými parametry a dalšími faktory. – Pro zkoušku tahem je vhodné odebírat zkušební tělesa přímo z odlitku, ta nejlépe odrážejí skutečnou kvalitu a vlastnosti odlitku. Tělesa odděleně litá, přilitá nebo odebraná ze vtoku nepostihují všechny faktory ovlivňující kvalitu odlitku. – Největší vypovídající schopnost mají testy prováděné na celých odlitcích v přípravcích a se zatížením simulujícím skutečné podmínky použití odlitku. – Je-li nutné provádět zkoušky mechanických vlastností na zkušebních tělesech, pak je třeba se se zákazníkem dohodnout na způsobu odběru vzorků a způsobu zkoušení. Zásadní je místo odběru zkušebního tělesa a jeho rozměry.

354


– Pro stanovení a porovnání tvrdosti tlakově litých dílů (zejména ze slitin obsahujících měď a hořčík) je nutné ponechat díly několik dní při pokojové teplotě (nebo vyšší), resp. uvádět dobu po odlití.

L i t e ra t u ra [1] Webové stránky firmy Rheinfelden: http://rheinfelden-alloys.eu/en/alloys/silafont/ [cit. 28.08.2016]. [2] ČSN EN 42 0332 (42 0332). Odlitky ze slitin hliníku a zinku – Zkušební tělesa pro stanovení mechanických vlastností tlakově litá. Praha: Český normalizační institut, 1982. 7 s. [3] ČSN EN 1706 (42 1433). Hliník a slitiny hliníku – Odlitky – Chemické složení a mechanické vlastnosti. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, 2010. 28 s. [4] PUCHNIN, M.; O. TRUDONOSHYN; O. PRACH: Use of ABI technique to measure mechanical properties in aluminium alloys. Part 1: Effect of chemical composition on the mechanical properties of the alloys. In: Materiali in Tehnologije 2016. [5] BRYKSÍ STUNOVÁ, B.; V. BRYKSÍ; M. PUCHNIN: Properties of Al Alloy Castings Produced by Rheocasting Method SEED Measured by Indentation. Sborník přednášek konference METAL 2015, Brno, 2015, s. 1399–1404.

Problematika stanovování hodnot mechanických vlastností slitin hliníku litých (nejen) pod tlakem

Recommend Documents