titMPríspevok predstavuje súčasný trend v oblasti priemyselného použitia Mg zliatin a ich technologického spracovania. Prioritne ide o zváranie a spájkovanie Mg zliatin. Uvedené sú charakteristiky Mg zliatin, ich výroba a ďalšie technologické spracovanie. Z oblasti zvárania sú uvedené tak technológie klasické, ako aj špeciálne.

 

Špeciálne technológie zvárania sú zamerané na zvára­nie v pevnom stave a aj zváranie tavné koncentrovanými zdrojmi energie. Spájkovanie je uvedené mäkké aj tvrdé. Dôležitou časťou je upozornenie na bezpečnosť pri tech­nologickom spracovaní Mg zliatin, ktoré sú veľmi horľavé (teplota pri ich horení dosahuje až 3 000 °C).

Vzhľadom na to, že Mg je najľahším kovom, možno hmotnosť kon­štrukcií znížiť práve aplikáciou Mg zliatin. Metalurgické spájanie Mg zliatin a ďalších kovov je vo svete predmetom rozsiahleho výskumu. Najmä v leteckom, automobilovom a inom priemysle sa neustále zni­žuje hmotnosť mobilnej techniky. Súvisí to aj so znížením spotreby energie a environmentálnych vplyvov [1]. Komerčne používané Mg zliatiny majú špecifickú hmotnosť cca 1,7 g.cm-3, čo je cca o 35 % niž­šia hodnota ako u Al zliatin a cca o 75 % nižšia ako v prípade ocelí. Horčíkové zliatiny to predurčuje na čoraz širšie aplikácie v spomínanej oblasti. Vlastnosti vybraných Mg zliatin sú dokumentované na obr. 1.

obr1m

 

Medzi ďalšie výhody Mg zliatin patrí vysoký pomer pevnosti a hmot­nosti, dobrá odlievateľnosť, obrobiteľnosť a v určitých prípadoch aj zvariteľnosť. Navyše, tieto zliatiny sú dobre recyklovateľné. Vo vše­obecnosti majú Mg zliatiny približne rovnakú odolnosť proti koró­zii ako mäkké ocele, ale ich korózna odolnosť je nižšia ako u Al zliatin [2 – 6]. Vplyvy legujúcich prvkov na vlastnosti Mg zliatin a vlastnosti vybraných zliatin sú uvedené v tab. 1. a 2.

tab1m
tab2m

Niektoré aplikácie Mg zliatin v automobilovom priemysle sú uvede­né na obr. 2. Pri zhotovovaní zvarových spojov tavnými technoló­giami má výrazný vplyv vysoká reaktivita Mg s kyslíkom. Horčík má na vzduchu nízku oxidačnú odolnosť pri vyšších teplotách, čo bráni dobrému zmáčaniu zvarového kovu, pokiaľ sa nezvára v inertnej at­mosfére, alebo ak sa pri zváraní nepoužije vhodné tavivo [8]. V zlia­tinách na báze Mg-Al-Zn zlepšuje obsah Al do 10 hm. % zvariteľnosť (zjemnenie zrna). Naopak, vyšší obsah Zn ako 1 % zvyšuje náchylnosť na horúce praskanie [9].

obr2m

Poznatky z oblasti metalurgického spájania Mg zliatin

V súčasnosti sa na celom svete uskutočňuje intenzívny výskum v ob­lasti metalurgického spájania Mg zliatin. Ako najvýhodnejšie sa javí použitie technológie zvárania elektrónovým lúčom (obr. 3) vzhľadom na existujúce vákuum.

Chi et al. pozorovali pri zváraní rôznych druhov Mg zliatin (AZ 31B, AZ 61A, AZ91D) nárast pevnosti a tvrdosti so zvyšujúcim sa obsa­hom Al v Mg zliatine.

obr3m

Uvedený nárast tvrdosti súvisel so zvyšujúcou sa koncentráciou krehkých precipitátov (γ fáza, Mg17Al12) vo zvarovom kove (ZK). Pozorované chyby zvarových spojov (dutiny, zápaly, pretečený koreň) môžu vytvárať miesta koncentrácie napätí a znižovať pevnosť a ťaž­nosť zvarku. Hrúbky zváraných kovov boli 12 mm [10].

V rámci výskumu na National Sun Yat-Sen University, Taiwan sa skú­malo zváranie elektrónovým lúčom technicky čistého Mg a Mg zliatin AZ 31, AZ 61 a AZ 91. S rastúcim obsahom Al sa zlepšovala zvariteľ­nosť Mg zliatin. Odporúčajú Mg zliatinu AZ 91 zvárať pri paramet­roch: P = 2 200 W a vzv = 16 mm/s. Hĺbka vyhotoveného zvaru bola 29 mm a koeficient formy zvaru 8,2. Vzhľadom na vysokú rýchlosť ochladzovania bola veľkosť zŕn v ZK cca 10 μm [11]. Pórovitosť ZK je hlavným problémom pri zváraní Mg zliatin laserom. Stúpa so zvyšo­vaním tepelného príkonu (zvýšenie výkonu lasera a zníženie rýchlosti zvárania). Na zváranie Mg zliatiny typu AM 60 B bol použitý Nd:YAG laser výkonu 3 kW, pracujúci v kontinuálnom režime[12].

Na zváranie Mg zliatiny typu AZ 31 (hrúbky 1 mm) sa v rámci ďal­šieho výskumu použil 1,5 kW diódový a 2 kW CO2 laser. Hustota vý­konu 8 000 W.cm-2 je dostatočná na dosiahnutie úplného pretave­nia zliatiny pri rýchlosti zvárania 150 mm/s pri zváraní CO2 laserom a 50 mm/s pri zváraní diódovým laserom. Tvorbe zápalov sa bolo možné vyhnúť defokusáciou laserového lúča. Zváranie diódovým la­serom bolo charakteristické menšou pórovitosťou oproti zváraniu CO2 laserom. Mikroštruktúra zvarového spoja vyhotoveného CO2 la­serom je dokumentovaná na obr. 4 [13].

obr4m

V ďalšej práci [14] sa Scintilla et al. zaoberali zváraním Mg zliatiny typu AZ 31 hrúbky 3,3 mm pevnolátkovým Nd:YAG laserom. Tupé zvary boli vyhotovené v ochranných atmosférach He a Ar.

V práci [15] bolo riešené vysokofrekvenčné indukčné spájkovanie tvárnenej Mg zliatiny AZ 31. Použilo sa zariadenie s výkonom 25 kW a frekvenciou 50 kHz. Z dôvodu odstránenia povrchového oxidu sa použilo tavivo QJ 210 (KCl 50 %, LiCl 32 %, NaF 10 %, ZnCl2 8 %). Ako ochranný plyn sa použil Ar. Rtg. difrakčná analýza preukázala prítom­nosť tuhého roztoku α-Mg a tvrdej eutektoidnej štruktúry α-Mg + MgZn. Usporiadanie plechov pri tvrdom spájkovaní Mg zliatiny je uvedené na obr. 5.

obr5m

Vplyv obsahu Zn na mikroštruktúru a mechanické vlastnosti Mg zlia­tin série ZK (ZK 21, ZK 40 a ZK 60) zváraných CO2 laserom (3 kW) hrúbky 2 mm je popísaný v práci [1]. Mikroštruktúry zvarových spo­jov sú dokumentované na obr. 6. Kvôli nižšiemu tepelnému príko­nu možno zváranie laserom úspešne aplikovať pri zváraní Mg zlia­tin typu ZK, ktoré majú obsah Zn < 4 hm. % a klasickým oblúkovým zváraním sú ťažko zvariteľné. Zliatina ZK 60 je náchylná na kryštali­začné praskanie a vyznačuje sa horšou zvariteľnosťou, ktorá vyplý­va z prítomnosti precipitátov Mg51Zn20 vylúčených po hraniciach zŕn v ZK. Zrná ZK zliatiny ZK 40 sú najjemnejšie zo všetkých troch zliatin. Veľkosť zrna je cca 4,8 μm. Zvar má najvyššiu pevnosť 312 MPa (cca 90 % pevnosti ZM) [1].

obr6m

Xiao et al. realizovali bodové elektrické odporové zváranie Mg zliatiny AZ 31 hrúbky 1,5 mm [16].

Ďalšia práca sa zaoberá zváraním Nd:YAG laserom zliatiny AZ 31 hrúbky 2,5 mm s cieľom hodnotenia odolnosti zvarov proti koróz­nemu praskaniu pod napätím. Uskutočnilo sa zváranie bez a s použi­tím prídavného materiálu AZ 61. Vo zvare vyhotovenom s prídavným materiálom nastala iniciácia a šírenie trhliny v TOO [17].

Ďalšia práca sa zaoberala zváraním metódou GTAW zliatiny AZ 91 hrúbky 15 mm. Ako ochranný plyn bolo použité He s prietokovým množstvom 20 l/min [18].

Difúzne zváranie zliatiny AZ 91 s použitím medzivrstvy Ag (hrúbka 100 μm) bolo realizované pri teplote 480 °C a časoch 0,5; 1 a 2 h pri tlaku 1 MPa vo vákuu 2.10-3 Pa. Pevnosť v šmyku všetkých vzoriek sa pohybovala v intervale 65 až 70 MPa. Počas zvárania došlo k taveniu a rozpusteniu Ag medzivrstvy v matrici. Nebola pozorovaná prítom­nosť necelistvostí (mikropórov, mikrotrhlín a oxidov) [19].

Ďalší výskum bol realizovaný v spolupráci prestížnych japonských vý­skumných pracovísk a to: Department of Metallurgy and Materials Science (Osaka Prefecture University), National Institute of Advanced Industrial Science and Technology a Osaka Municipal Technical Research Institute. Výskum bol zameraný na difúzne zváranie zliatiny AZ31 s presne určenou veľkosťou zrna do 16,8 μm, Zliatina bola zvá­raná vo forme valcovaného plechu s hrúbkou 0,8 mm. Typická mik­roštruktúra materiálu žíhaného pri teplote 673 K je dokumentova­ná na obr. 7.

obr7m

Drsnosť povrchu pri difúznom zváraní bola 24 μm a dosiahla sa jem­ným otryskaním a následným leptaním. Parametre zvárania boli T = 673 K, čas zvárania 0,5 až 8 h, tlak 2 až 10 MPa. Zvarové rozhranie je dokumentované na obr. 8.

obr8m

Bolo zistené že najlepšie pevnostné vlastnosti vykázali vzorky vy­hotovené pri parametroch: 10 MPa/0,5 h, 5 MPa/1h, 3 MPa/3h a 2 MPa/8h. Pevnosť difúzneho spoja bola cca 80 % pevnosti základ­ného materiálu.

Pri bodovom FSW zváraní Mg zliatiny s Al zliatinou (hrúbky 1 mm) bol skúmaný vplyv rôznej rýchlosti otáčania nástroja a času pôsobe­nia nástroja na charakter spoja. Na rozhraní Mg-Al sa vytvorili inter­metalické fázy. Hrúbka týchto fáz narastala so zvyšovaním rýchlosti rotácie nástroja a mala výrazný vplyv na pevnosť spoja. Intermetalické vrstvy boli väčšinou tvorené fázami Al3Mg2 (na povrchu Al zliatiny) a Al12Mg17 (na povrchu Mg zliatiny) [20]. Kresby húseníc sú zobraze­né na obr. 9.

obr9m

Vedci z Nanjing University of Science and Technology v spolu­práci s Auburn University a Ningbo Branch of China Academy of Ordnance Science (Yan et al.) skúmali možnosti navárania (plátova­nia) hliníkových zliatin na Mg zliatiny explóziou. Experiment sa zao­beral naváraním Al 7075 na Mg zliatinu AZ31B. Chemické zloženie uvedených kovov je v tab. 3

tab3m

Pri experimente bolo použité uhlové situovanie zváraných materiá­lov. Urýchľovaným materiálom bola Al zliatina. Ako podkladový ma­teriál bol zvolený betón. Vyhodnotenie kvality bimetalov po zváraní sa vykonalo optickou mikroskopiou, SEM a EDS mikroanalýzou. Ďalej bola na vzorkách skúmaná tvrdosť a ťažnosť spoja. Mikroštruktúra rozhrania zvarového spoja je dokumentovaná na obr. 10.

obr10m

Zvarové rozhranie bolo charakteristicky zvlnené. Nebola zistená prí­tomnosť intermetalických fáz. Pevnosť v šmyku bola cca 70 MPa [24].

Obdobný výskum zvárania explóziou sa vykonal i na Katedre zvára­nia MTF STU v Trnave v spolupráci s Explosia, a. s., Pardubice. Použilo sa paralelné situovanie zváraných materiálov.

Na Harbin University of Technology (Čína) bolo v rámci výskumu realizované difúzne zváranie plechov z Mg zliatiny ZK 60 hrúbky 1,5 mm. Priemerná veľkosť zrna zliatiny bola 8,9 μm [21].

Patel et al. uskutočnili experimenty zo zvárania zliatiny AZ 31 hrúbky 2 mm ultrazvukovou energiou [22].

Elthalabawy and Khan uskutočnili zaujímavý experiment s kombiná­ciou difúzneho zvárania (navarenie Ni fólie na CrNi austenitickú oceľ) a potom prispájkovanie Mg zliatiny zo strany Ni fólie [24].

V literatúre je uvedený aj výskum zo zvárania kovaním (Forge Welding) zliatiny ZK 60A-T5. Podobne boli vyhotovené aj zvary kom­binovaných kovov Mg zliatina s Al zliatinou [23].

 

obr11mZásady bezpečnosti pri práci s horčíkom a jeho zliatinami

• pri horení horčíka vzniká teplota až 3 000 °C,

• vyžaduje sa dodržiavanie prísnych bezpečnostných predpisov,

• vzniknutý požiar nie je možné hasiť vodou,

• na hasenie sa používajú taviace soli prípadne suchý piesok,

• požiar možno uhasiť len po zabránení prístupu vzduchu.

Na pracoviskách, kde sa technologicky spracúvajú Mg zliatiny, treba používať výstražnú značku.

 

Záver

Práca podáva čiastočný pohľad na v súčasnosti veľmi aktuálnu prob­lematiku metalurgického spájania Mg zliatin, ako aj Mg zliatin s iný­mi kovmi. Spomína sa klasické tavné zváranie, technológie zvárania v pevnom stave, zváranie koncentrovanými zdrojmi energie (elektró­nový lúč, laser), ako i spájkovanie.

Cieľom príspevku je poukázať na to, ako sa technológie zvárania Mg zliatin v priemyselne vyspelom svete vyvíjajú a aj implementujú pria­mo do technickej praxe, najmä v oblasti mobilnej techniky.

Kolektív autorov a zároveň riešiteľov nového projektu VEGA MŠVVS a SAV pod názvom „Výskum metalurgického spájania a ďalších tech­nologických procesov spracovania horčíkových a iných ľahkých zlia­tin progresívnymi a ekologicky vhodnými technológiami“ bude po­vďačný, ak okrem Katedry materiálového inžinierstva Strojníckej fakulty ŽU Žilina bude záujem o participáciu na uvedenom projek­te v rokoch 2012 až 2014. Konkrétny výskum v oblasti zvárania Mg zliatin v pevnom stave bude realizovaný v spolupráci s VÚZ-PI SR Bratislava, ktorý disponuje novo inštalovaným zariadením na techno­lógiu zvárania metódou FSW z Číny.

 

Poďakovanie:

Príspevok je realizovaný s podporou Grantovej agentúry VEGA MŠVVŠ SR, projekt č. 1/0842/09.

 

Literatúra:

[1] Z. H. Yu, H. G. Yan, J. H. Chen, Y. Z. Wu: Effect of Zn Content on the Microstructures and Mechanical Properties of Laser Beam-Welded ZK Series Magnesium Alloys. In J Mater Sci (2010) 45:3797 – 3803

[2] Mordike, B. L. Elebert, T.: Magnesium: Properties-Applications-Potential. In Mater. Sci. Eng. A302, 2001, s. 37.

[3] Hu, H. Yu, A.: Numerical simulation of squeeze cast magnesium alloy AZ91D. In Modeling Simul. Mater. Sci. Eng, 10, 2002, s. 1.

[4] Neite, G. et al.: Magnesium Based Alloys. In.: Material Science and Technology, Vol. 8 Structure and Properties of Nonferous Alloys. Weinheim, New York, Basel, Cambridge, Tokyo, 1996.

[5] Kojima, Y.: Platform Science and Technology for Advanced Magnesium Alloys. In: Procc. of con­ference Magnesium Alloys 2000, Nagaoka City, Trans Tech Publications Ltd. Switzerland 2000

[6] Dostupné na: http://www.sciencedirect.com/science 28. 10. 2011

[7] Jiždinský, K.: Horčík a jeho zliatiny. Dostupné na: www.matdesign.sav.sk

[8] Hrivňák, I: Zváranie a zvariteľnosť

[9] M. K. Kulekci.: Magnesium and its alloys applicationsin automotive industry, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2007), Volume: 39, Issue: 9 – 10, Pages: 851 – 865

[10] Chao-Ting Chi, Chuen-Guang Chao, Tzeng-Feng Liu, Che-Chung Wang: A Study of Weldability and Fracture Modes in Electron Beam Weldments of AZ Series Magnesium Alloys, Materials Science and Engineering: A, Volumes 435 – 436, 5 November 2006, Pages 672 – 680

[11] S. F. SU, J. C. HUANG, H. K. LIN, N. J. HO: Electron-Beam Welding Behavior in Mg-Al–Based Alloys, Metallurgical and Materials Transactions A, Volume 33, Number 5, 1461 – 1473, DOI: 10.1007/s 11661 – 002 – 0069-6

[12] H. ZHAO AND T. DEBROY: Pore Formation during Laser Beam Welding of Die-Cast Magnesium Alloy AM60B – Mechanism and Remedy, Welding journal, ISSN 0043-2296 CODEN WEJUA3, 2001, vol. 80, no 8, pp. 204 – 210 (20 ref.)

[13] Jinhong Zhu, Lin Li, Zhu Liu: CO2 and diode laser welding of AZ31 magnesium alloy, Applied Surface Science, Volume 247, Issues 1 – 4, 15 July 2005, Pages 300 – 306

[14] L. D. Scintilla, L. Tricarico, M. Brandizzi, A. A. Satriano: Nd:YAG Laser Weldability and Mechanical Properties of AZ31 Magnesium Alloy butt Joints, Journal of Materials Processing Technology Volume 210, Issue 15, 19 November 2010, Pages 2 206 – 2 214

[15] L. Ma, D.Y. He, X.Y. Li, J. M. Jiang: High-Frequency Induction Soldering of Magnesium Alloy AZ 31 B using a Zn − Al Filler Metal, Materials Letters Volume 64, Issue 5, 15 March 2010, Pages 596 – 598

[16] P. B. SRINIVASAN, S. RIEKEHR, C. BLAWERT, W. DIETZEL, M. KOÇAK: Mechanical Properties and Stress Corrosion Cracking Behaviour of AZ31 Magnesium Alloy Laser Weldments, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Volume 21, Issue 1, January 2011, Pages 1 – 8

[17] K. N. Braszczynska – Malik, M. Mróz.: Gas-tungsten Arc Welding of AZ91 Magnesium Alloy, Jurnal of Alloys and Compounds 509, 2011, Pages 9 951 – 9 958

[18] O. Torun, A. Karabulut, B. Baksan, I. Celikyurek: Diffusion Bonding of AZ91 using a Silver Interlayer, Materials & DesignVolume 29, Issue 10, December 2008, Pages 2 043 – 2 046

[19] Don-Hyun Choi, Byung-Wook Ahn, Chang-Yong Lee, Yun-Mo Yeon, Keun Song, Seung-Boo Jung: Formation of Intermetallic Compounds in Al and Mg Alloy Interface during Friction stir Spot Welding, Intermetallics Volume 19, Issue 2, February 2011, Pages 125 – 130

[20] K. F. Zhang.: Influence of Diffusion Bonding for Superplasticity Magnesium Alloys with the Fore and Post Treatment, Materials Science Forum (Volumes 551 – 552)

[21] V. K. Patel, S. D. Bhole, D. L. Chen.: Influence of Ultrasonic Spot Welding on Microstructure in a Magnesium Alloy, Scripta Materialia 65, 2011, Pages 911 – 914

[22] L. A. Cook, D. G. Shafer.: New Forge Welding of Aluminum and Magnesium Alloys, 2009 Dec 15

[23] Y. B. Yan; Z. W. Zhang; W. Shen; J. H. Wang; L. K. Zhang; B. A. Chin.: Microstructure and Properties of Magnesium AZ31B – Aluminum 7075 Explosively Welded Composite Plate, Materials Science & Engineering A (April 2010), 527 (9), Pages 2 241 – 2 245

[24] Elthalabawy, W. M. and Khan, T. I. (2010) Microstructural development of diffusion brazed austenitic stainless steel to magnesium using nickel interlayer, Materials Characterization, 61, Pages 703 – 712

 

TEXT/FOTO: prof. Ing. Milan Turňa, CSc., Ing. Zuzana TURŇOVÁ, PhD, Ing. Jozef Ondruška, Ing. Miroslav Sahul, Ing. Tomáš Kupec, Ing. Tomáš Kramár, MTF STU, Trnava