spu1Súčasné trendy výroby odliatkov smerujú k výrobe súčiastok so zvýšenou presnosťou, kvalitnejším povrchom, homogénnou štruktúrou, a tým aj k rovnomerným mechanickým vlastnostiam pri minimálnej energetickej náročnosti ich výroby.


Kvalitné odliatky by sa mali vyrábať modernými a efektívnymi technológiami, pričom východiskovým bodom je konštrukčný návrh. Tenkostenné odliatky sú trendom pre budúcnosť [1, 5]. Najmä z finančného hľadiska sú snahy o rozšírenie technológie liatia pod tlakom do oblasti železných kovov, pretože železné zliatiny pri tuhnutí pod vysokým tlakom až do 100 MPa zlepšujú svoje mechanické vlastnosti [1]. Pre priblíženie sa k uvedeným cieľom sme uskutočnili experimentálne skúšky liatia železných zliatin pod tlakom.

Metodika práce
Pri tenkostennom odliatku „lopatka“ (obr. 1) sme sledovali priebeh rýchlosti lisovania a tlaku v dutine formy pri liatí železných zliatin pod tlakom. Skúšky boli realizované na upravenom tlakovom stroji na liatie kovov CLOO 100/16-B2 (obr. 2). Piesty boli vyrobené z perlitickej liatiny a komora z materiálu 19 552 kalená a popustená na 40 – 45 HRC. Oproti vôli 0,03 – 0,05 mm medzi piestom a komorou pre hliníkové zliatiny boli zodpovedajúce vôle zväčšené na 0,14 – 0,3 mm. Takouto úpravou sme lisovali až do úplného zadretia piesta v komore.

obr1
Obr. 1 Tenkostenný odliatok
obr2
Obr. 2 Tlakový stroj na liatie kovov CLOO 100/16-B2

 

Dosiahnuté výsledky
V tenkostennom odliatku sme porovnávali priebehy rýchlosti lisovania a tlaku v dutine formy pri liatí hliníka (obr. 3) a železa pod tlakom (obr. 4). Jednotlivé tlaky lisovania boli približne na tej istej úrovni. Pre hliníkovú zliatinu to bolo 11,4 MPa, pre zliatinu železa 8,1 MPa. Čas tuhnutia odliatku zo železnej zliatiny bol 30 sekúnd, a o niečo kratší bol čas tuhnutia odliatku z hliníkovej zliatiny (25 sekúnd).

obr3
Obr. 3 Priebeh rýchlosti lisovania a tlaku v dutine formy pri liatí hliníka, v – priebeh rýchlosti lisovania, P, P1, P3, P4 – tlaky v dutine formy v jednotlivých fázach tuhnutia odliatku
obr4
Obr. 4 Priebeh rýchlosti lisovania S a tlaku v dutine formy pri liatí železa, v – priebeh rýchlosti lisovania, P, P1, P3, P4 – tlaky v dutine formy v jednotlivých fázach tuhnutia odliatku

 

Pri liatí želených zliatin sme sa venovali aj životnosti lisovacieho piesta a plniacej komory.
Na upravenom tlakovom stroji na liatie CLOO 100/16-B2 sme dosiahli 60 – 75 zalisovaní do zadretia piestu oproti pôvodným 6 – 7 zalisovaniam bez úpravy tlakového stroja.

Liatie železných zliatin pod tlakom
Optimálna teplota liatia liatiny bola v intervale 1 450 – 1 500 °C a teplota formy v intervale 200 – 240 °C. Rýchlosť lisovania bola 0,4 m.s- 1. Objemová hmotnosť liatiny dosahuje až 7 600 kg.m-3 oproti hodnote 7 200 kg.m-3 bez pôsobenia tlaku.
Optimálne hodnoty rýchlosti lisovania v závislosti od tlaku na kov sme namerali v intervale 1,7 – 2,0 m.s-1, resp. 35 – 50 MPa. S rastúcim tlakom sme zaznamenali aj tendenciu k jemnejšej štruktúre odliatku.
Povrch odliatku dosahoval tvrdosť 40 – 60 HRC. Takéto odliatky sa nedajú mechanicky opracovať iba brúsením. Vzhľadom na vysokú tvrdosť boli odliatky po vyhodení z formy dávané priamo do pece a ochladené v peci. Voľne na vzduchu ochladzované odliatky dosahovali tvrdosť 60 HRC. Odliatok vyhodený z formy pri 1 000 °C a ochladený v peci dosiahol tvrdosť 37 HRC a odliatok vyhodený z formy pri 800 °C a ochladený v peci dosiahol tvrdosť 50 HRC. Teda pri vyhodení tlakového odliatku z formy nad 1 000 °C a ochladení v peci možno dosiahnuť ešte obrobiteľný odliatok zo železnej zliatiny.
Pri liatí ocele pod tlakom teplota liatia nesmie klesnúť pod 1 550 °C. Na vtokových zvyškoch bola dosiahnutá tvrdosť 38 HRC, a pri odliatkoch 45 HRC. Pri teplote vyhodenia odliatku pod 600 °C boli dosiahnuté pri oceliach legovaných Cr tvrdosti odliatkov pod 40 HRC, pri oceli 11 373 pod 30 HRC, kde by sa dalo uvažovať o použití odliatkov bez tepelného spracovania.
Závislosť objemovej hmotnosti od rýchlosti lisovania je na obr. 5 pre rýchlosť lisovania v = 0,5 až 1,5 m.s-1.

obr5
Obr. 5 Závislosť objemovej hmotnosti od rýchlosti lisovania

 

Pre formy bol použitý materiál 19 552 a materiál na báze molybdénu. Materiál na báze molybdénu pre plniacu komoru z dôvodu krehkosti pri prevádzkových teplotách praskol a nebol ďalej použiteľný. Povrch dutiny formy z materiálu na báze Mo z dôvodu absencie ochrannej vrstvy pri odlievaní postupne sublimoval. Úber materiálu bol taký veľký, že nebolo možné formu ďalej používať. Materiál 19 552 mal životnosť 200 odliatí. Vzhľadom na náklady na výrobu formy pre liatie kovu pod tlakom je to príliš nízka životnosť.
Najvyššie hodnoty mernej hmotnosti dosahoval vtokový zvyšok 7 750 až 7 900 kg.m-3 pričom odliatok len 7 100 až 7 300 kg.m-3. Závislosť pevnosti odliatku od rýchlosti lisovania je na obr. 6.

obr6
Obr. 6 Závislosť pevnosti odliatku od rýchlosti lisovania

 

Vplyv pôsobenia dotlaku pri liatí železných zliatin pod tlakom
Podľa výskumov Batyševa [2] diagram Al-Si znázornený na obr. 7 pri pôsobení vysokého tlaku vykazuje stále sa zvyšujúcu eutektickú teplotu a bod eutektickej kryštalizácie sa posúva k vyššiemu obsahu kremíka. Po každých 100 MPa sa eutektická teplota zvyšuje asi o 6,3 °C a maximálna medza rozpustnosti kremíka v hliníku pri teplote eutektickej premeny sa posúva asi o 0,25 hmot. % Si. Z našej literatúry sú aj ohlasy podporujúce tento smer [3, 4].

obr7
Obr. 7 Vplyv tlaku na vzhľad rovnovážneho diagramu Al-Si podľa Batyševa [2]

 

Podľa Ragana [5] má dotlak na tenkostenné odliatky iba malý vplyv. S rastúcim dotlakom je štruktúra jemnozrnnejšia a s rastúcou hrúbkou steny sa vplyv dotlaku zvyšuje. Optimálna teplota liatia ocele sa pohybovala v intervale 1 600 – 1 750 °C a optimálna teplota formy 220 – 260 °C. Na mikroštruktúre odliatku pod tlakom (obr. 8, 9) bola jemná štruktúra liatia, kde obsah perlitu bol viac ako 50 %, t.j. dvojnásobne vyšší, ako by zodpovedal podľa zloženia ocele. Tento posuv Fe – C diagramu podľa obr. 10 je potrebné pričítať účinku tlaku pri tuhnutí ocele.

obr8
Obr. 8 Mikroštruktúra tlakového oceľového odliatku z ocele 11 373 na optickom mikroskope, x 1000 ηm
obr9
Obr. 9 Mikroštruktúra tlakového oceľového odliatku z ocele 11 373 na elektrónovom mikroskope, x 1000 ηm
obr10
Obr. 10 Posuv Fe – C diagramu v závislosti od dotlaku

 

Záver
Technológia liatia železných kovov pod tlakom je porovnateľná s technológiou liatia hliníkových zliatin pod tlakom. Špecifiká sú vzhľadom na tvrdosť tlakových odliatkov, kde je potrebné vykonať úpravu technológie, aby sme dosiahli obrobiteľné tlakové odliatky. Liatie liatiny pod tlakom nie je ešte priemyselne rozšírené. Je to späté s ťažkosťami odstránenia zakalenia pri rýchlom ochladení v kovovej forme ako aj tvorbou horúcich prasklín na tenkostenných odliatkoch. Obyčajne sa pre liatie pod tlakom odporúčajú liatiny s obsahom uhlíka menej ako 3 %. Na zníženie zákalu firma General Electric používala modifikátor, ktorý dvakrát zmenšuje hĺbku zakalenej vrstvy [6]. Tak boli vyrobené odliatky liate pod tlakom z liatiny s chemickým zložením 3,7 % C, 2,5 % Si, 0,5 % Mn a zvyšok Fe.
Odliatky zo sivej liatiny sa žíhajú v časovom rozsahu 2 hodín pri teplote 954 °C. Po žíhaní kovu sa tvorí štruktúra tvárnej liatiny. Zrno je neobyčajne jemné, čo je príčinou výrazného zníženia času žíhania pri zrovnaní s obyčajným žíhaním (48 hod.) odliatku na tvárnu liatinu.
Je potrebné pokračovať v skúmaní pôsobenia tlaku na vlastnosti zliatin prejavujúceho sa pri liatí pod tlakom, aby sa bolo možné dostať k ďalším vyčerpávajúcejším výsledkom v tejto oblasti.

TEXT/FOTO: Juraj RUŽBARSKÝ, Fakulta výrobných technológií TU Košice

LITERATÚRA
[1] RAGAN, E., RUŽBARSKÝ, J.: Vývoj technológie liatia železných zliatin pod tlakom – 2007. In: Technologické inžinierstvo. Roč. 4, č. 1 (2007), s. 115 – 116.
[2] BATYŠEV, A. I. et al.: Litje s krystalizacijej pod davlenijem, 1. vyd. Moskva, 1989
[3] RAGAN,E.: Príspevok k závislosti pevnosti na dotlaku pri tlakovom liatí, Slévárenství 1979, č. 8
[4] RAGAN, E.: Liatie železných kovov pod tlakom, Acta Metalurgica Slovaca 2002, č. 2, s. 328 – 334.
[5] RAGAN, E. a kol.: Liatie kovov pod tlakom. Prešov: FVT, 2007, 383 p.
[6] EDWARDS, M., ENDEAN, M.: Manufacturing with Materials, The Open University U. K. 1990