1

Väčší dopyt po hliníkových odliatkoch súvisí najmä s rozmáhajúcou sa výrobou automobilov ale i elektrotechnickým priemyslom. Odliatky sa vďaka vynikajúcim vlastnostiam hliníka a jeho zliatin stali populárnymi komponentmi týchto výrobcov. Nízka hmotnosť, relatívne vysoká pevnosť a odolnosť voči vplyvom korózie predurčujú technológiu výroby na jej ďalší vzostup v celosvetovom priemysle.

Úlohou systému monitorovania teploty vo výrobných prevádzkach je podávať potrebné informácie o stave teplotných parametrov vo výrobnom procese. Podmienkou dobrého fungovania takýchto systémov je relevancia informácií, ktoré sú takto získavané. Preto je dôležité neustále inovovať meracie postupy a venovať pozornosť novým technológiám. Stále väčšie požiadavky kladené zo strany odberateľov na hliníkové odliatky nútia firmy v čase krízy udržiavať si konkurencieschopnosť na trhu. Tento cieľ sa darí napĺňať najmä vďaka postupným inovačným snahám. Na základe poskytnutých informácií o výrobnom procese sa dospelo k predpokladu, že sa bude musieť v značnej miere obmedziť vplyv ľudského faktora na samotné meranie teploty. Pracovník by tak mal vykonávať podľa požiadaviek manažmentu len kontrolno-preventívnu činnosť a zápis teplotných parametrov do reportu pre oddelenie kontroly kvality. V samotnom výrobnom procese bol vplyv teplotných parametrov a ich monitorovanie dlhodobo podceňovaný. Prehlbujúce sa problémy s následnou nekvalitou však podnietili väčší záujem o poznanie tohto procesu a o jeho následné úpravy tak, aby sa jeho správanie dalo ľahko sledovať. Rovnako dôležité je, aby teplota nepresiahla dolnú alebo hornú tolerančnú medzu uvedenú v technologickom postupe.

2

Tlakové liatie

Jednou z mnohých možností používaných pre produkciu odliatkov je technológia odlievania pod tlakom. Ide o špecifickú metódu, ktorá sa používa najmä pri výrobe rozmerovo menších, ľahších, tenkostenných, ale zároveň tvarovo zložitejších výrobkov s presne dimenzovanými počtami kusov v jednotlivých sériách, pričom sa kladie veľký dôraz na kvalitu povrchu, ktorý je zvyčajne hladký. Tieto odliatky sú vyrábane zväčša zo zliatin neželezných kovov so strednou teplotou odlievania [1]. Odliatky vyrábané technológiou tlakového liatia sa používajú najmä v automobilovom, motocyklovom či leteckom priemysle, použiteľné sú však aj v ostatných priemyselných odvetviach [1]. Liatie pod tlakom je metóda presného liatia, ktorá sa najviac približuje k ideálnej snahe priamej premeny základného materiálu na hotový výrobok. Je to spôsob výroby odliatkov, pri ktorom je roztavený kov vstrekovaný do trvalej formy veľkou rýchlosťou 10 – 100 ms-1, ktorú kov dosahuje vo vtokovom záreze za pôsobenia vysokého tlaku (tavenina sa lisuje tlakmi do 500 MPa). Počas doby tuhnutia zostáva kov pod tlakom. Veľká rýchlosť plnenia a vysoký tlak umožňujú odlievať tenkostenné a veľmi členité odliatky, ktoré v mnohých prípadoch nevyžadujú ďalšie opracovanie okrem odstránenia vtoku a otrepov [2], [3].

Dôležitá je teplota liatia vzhľadom na trvanlivosť formy a dobu tuhnutia zliatiny. Keďže hrozí nebezpečenstvo predčasného stuhnutia tenkých stien odliatku, má význam množstvo tepla, ktoré je potrebné odviesť formou do doby stuhnutia odliatku [3]. Treba si všimnúť obsah plynov v roztopenej zliatine. Pri rýchlom tuhnutí zostáva v zliatine aj v tuhom stave rozpustených viac plynov, ako pri pomalom tuhnutí. Objemové zmeny pri chladnutí vyúsťujú do zmrašťovania zliatiny. Vzhľadom na kovovú formu prevláda pri liatí pod tlakom brzdené zmraštenie, ktoré je oveľa nižšie ako voľné zmraštenie pri liatí do piesku. Dôležité sú aj mechanické vlastnosti za vyšších teplôt, kde by pri nízkych hodnotách zliatiny mohlo pri brzdenom zmrašťovaní dochádzať k praskaniu odliatku [3], [4]. Cieľom taviaceho procesu preto musí byť natavenie zliatiny s požadovanou kvalitou, a to s čo možno najnižšími nákladmi. Kvalitná tavenina sa vyznačuje predovšetkým požadovaným chemickým zložením, čo najnižším obsahom oxidačných a neoxidačných prímesí a nízkym výskytom bublín (naplynením).

O kvalite kovu rozhoduje najmä:

  • Tavná surovina,
  • typ a konštrukcie taviacich a udržiavacích pecí,
  • spôsob vedenia metalurgického procesu,
  • metalurgické spracovanie taveniny a spôsob liatia.

Pri tavení a následnom odlievaní vznikajú nenávratné a návratné straty kovu [3].

Vplyv teploty taveniny na odliatok a formu pri liatí

Teplota formy je dôležitým technologickým parametrom, ktorý priamo vplýva na kvalitu vyrábaného odliatku. Počas jedného pracovného cyklu sa vykonáva viacero úkonov, ktoré spôsobujú tepelné straty a je potrebné ich zohľadniť pri určovaní tepelnej rovnováhy, a to: naliatie kovu do plniacej komory, zalisovanie, tuhnutie odliatku, otvorenie formy, vytiahnutie jadier, vyhodenie odliatku, očistenie formy, očistenie komory, mastenie formy, mastenie komory, zatiahnutie jadier a uzavretie formy. [4] Aby sa predišlo nepodarkom, je dôležité udržiavať tepelnú rovnováhu formy tepelnou reguláciou alebo chladením, čo predstavuje chladenie aj ohrievanie formy. Aby sa zabezpečila správna teplota liatia kovu pri plnení dutiny formy, je podstatné nielen udržať správnu teplotu plniacej komory ale aj dodržať stálu teplotu taveniny v udržiavacej peci. Nedodržanie týchto dvoch teplotných parametrov spolu s ostatnými dôležitými parametrami, ovplyvňujúcimi kvalitu, predstavuje komplex vzájomných väzieb.

3 
 Obr. 1.: Diagram – zvýraznené vplyvy teplotných parametrov

Kvalita tlakových odliatkov závisí od mnohých faktorov, ako napríklad: kvalita dodávaných zliatin, kvalita roztavených zliatin, kvalita zliatin v odliatkoch, mechanické vlastnosti odliatkov, rozmerová presnosť formy aj odliatku, kvalita povrchu a lejárske chyby. Z týchto faktorov následne vyplýva aj postup kontroly kvality. Prehľad väzieb medzi chybami a ich príčinami pri tlakovo liatych odliatkoch znázorňuje diagram na Obr. 1., na základe ktorého je možné následne vyvinúť príslušný postup pri kontrole kvality odliatkov v zlievarni [4], [5].

Meranie teploty taveniny

Rozoznávame dve kategórie metód pri meraní teploty – kontaktnú a radiačnú termometriu. Ak je objekt v kontakte s teplomerom, využívajú sa metódy patriace do prvej kategórie. To spôsobuje okamžité tepelné ovplyvnenie meraného objektu teplomerom. Navyše, trvá určitú dobu, kým citlivý prvok teplomera úplne zareaguje na teplotu meraného objektu. Priebeh sa dá približne opísať podľa diferenciálnej rovnice prvého rádu. Časová konštanta sa pritom určuje z tepelnej kapacity snímača a tepelného odporu medzi snímačom a objektom. Druhá kategória metód funguje na princípe meraní (tepelného) vyžarovania meraného objektu. Žiarenie prijíma tepelne citlivé zariadenia, ktoré umožňuje určiť teplotu objektu podľa intenzity vyžarovania.

Vo všeobecnosti meradlá teploty využívajú niekoľko základných princípov:

  • Tepelnú rozťažnosť tuhých, kvapalných alebo plynných teplomerných látok,
  • zmenu elektrických vlastností snímača v závislosti od zmeny teploty,
  • snímače celkovej energie žiarenia,
  • využitie spektrálnej žiarivosti meraného objektu [6].

Na meranie teplôt pri liati hliníkových zliatin sa používajú takmer výhradne termočlánky NiCr-Ni, ktoré sú nielen dostatočne presné, ale majú aj dostatočne dlhú životnosť. Pri operatívnom meraní teploty sa používajú ponorné články, v ktorých je termočlánok osadený vo vhodnej rukoväti a v ochrannom plášti. Tento plášť je štandardne vyrobený zo špeciálneho materiálu, najčastejšie zirkónu, alebo je ošetrený ochranným náterom. Ochranné vrstvy a nátery sú dôležité, pretože hliník pôsobí na tieto trubice agresívne a hrozilo by ich poškodenie a následné poškodenie termočlánkov. Ochrana termočlánku je funkčná, pokiaľ nedôjde k mechanickému poškodeniu [4], [8]. Dlhodobo sa teplota v peci meria termočlánkami v ochranných trubiciach z drahších ale odolnejších materiálov. Tieto trubice ponorené, do taveniny, sú vyrábané napríklad z grafitu, keramiky a podobne. Problémom, aj napriek masívnej ochrannej vrstve, je postupné obaľovanie ochranných plášťov agresívnymi oxidmi hliníka, čo môže aj pri najmenšom poškodení v priebehu neodbornej manipulácie spôsobiť poškodenie alebo až zničenie termočlánku, čo je spojené s vysokými nákladmi na opravu alebo prípadnú výmenu. Kvôli týmto problémom sa už ako najnovší trend využíva inštalácia termočlánkov priamo do výmurovky pece [4], [8].

Automatizované monitorovanie teploty taveniny

Získané teoretické a praktické vedomosti o meraní teploty, technológii liatia kovov pod tlakom, ako aj o chemických a technologických vlastnostiach liatiny boli spracované a následne vyhodnotené. Z výsledkov potom vzišiel návrh inovovať zastarané ručné monitorovanie teploty za automatizované meranie teploty. Merania a následný výskum dokázali, že v procese výroby by tento vyšší podiel automatizácie nahradil momentálne meranie operátormi tavby. Potom by sa už ručné meranie teploty vykonávalo len ako kontrolno-preventívne meranie raz za zmenu pracovníkmi oddelenia kontroly kvality. Aby bolo navrhnuté riešenie kompletné, vypracovali sa nové metodické pokyny pre meranie teploty taveniny. Prehľadnosť a pochopiteľnosť týchto pokynov by malo zabezpečiť ich spracovanie do podoby postupového diagramu (Obr. 2.:). V tomto návrhu sa už predpokladá komplexné zavedenie kontinuálneho monitorovania teploty s regulačným mechanizmom, ktorým bude možné priamo upravovať teplotu taveniny v udržiavacom agregáte.

 4
 Obr. 2 .: Návrh metodických pokynov pre meranie a kontrolu teploty taveniny

5

Záver

Kontrola teploty liatia v technologickom procese tlakového liatia hliníka je bezpodmienečne nutná. Čím nižšia je teplota liatia v rámci predpísaného tolerančného poľa, tým lepšie sú mechanické vlastnosti odliatkov a menší je aj výskyt nepodarkov. Teplota kovu by mala byť kontrolovaná počas celého procesu výroby, a to od samotného tavenia materiálu, až po odlievanie súčiastky. Na základe spracovaného prehľadu meracích metód a prístrojov používaných v praxi v kontexte ich vplyvu na kvalitu produkcie odliatkov je v príspevku navrhnutá metodika automatizovaného monitorovania teploty taveniny hliníka, ktorá bude skúšobne aplikovaná vo firme MOPS PRESS, s. r. o.

TEXT: ING. JÁN DUBJÁK, DOC. ING. JÁN PITEĽ, PHD., FAKULTA VÝROBNÝCH TECHNOLÓGIÍ SO SÍDLOM V PREŠOVE FOTO ARCHÍV REDAKCIE

Poznámka:

Príspevok bol spracovaný s prispením grantovej agentúry VEGA Ministerstva školstva SR, projekt č. 1/0738/14 s názvom Štúdium koróznej odolnosti povlakovaných oceľových plechov pre použitie v automobilovom priemysle.

Literatúra:

[1] MICHUNA, Š.; LUKÁČ, I.; LOUDA, P.; OČENÁŠEK, V.; SCHNEIDER, H.; DRÁPALA, J.; KOŘENÝ, R.; MIŠKUFOVÁ, A.: Aluminium materials and technologies from A to Z, Prešov: Adin, s. r. o., 2007, 613 s. ISBN 978-80-89244-18-8.
[2] VINARCIK, E. J.: High Integrity Die Casting Processes, New York: John Wiley and Sons, 2003, 223 s. ISBN 0-471-20131-6. [3] RAGAN, E.: Proces liatia pod tlakom, Prešov: FVT TU Košice so sídlom v Prešove, 1997, 61 s. ISBN 80-7099-268-9.
[4] RAGAN, E. a kol.: Liatie kovu pod tlakom, Prešov: TUKE FVT so sídlom v Prešove, 2007, 383s. ISBN 978-80-8073-979-9.
[5] MALIK, J.; GAŠPÁR, Š.; PAŠKO, J.: Technologické faktory vplývajúce na kvalitu tlakovoliatych odliatkov zo zliatin hliníka, Výrobné inžinierstvo. roč. 9, č. 1 (2010). ISSN 1335-7972.
[6] REGTIEN, P.; HALAJ, M.; KUREKOVÁ, E.: Meranie teploty [cit. 2013-03-27]. Dostupné na internete: <http://www.kam.sjf.stuba.sk/katedra/publikacie/leonardo/ucebnica/08s.pdf>
[7] BOLIBRUCHOVÁ, D.: Zlievarenská technológia, Žilina: Georg, 2010, 247 s. ISBN 978-80-89401-14-7.
[8] Šebesta služby slevárnam: Tlakové lití v praxi, Firemná literatúra.