Témata
Reklama

Náhrada drahých legur v metalurgii slitin neželezných kovů

Přesto, že tradiční a ověřené slévárenské procesy v posledních desetiletích nezaznamenaly významné změny, nedá se totéž říci o procesech metalurgických. Mimo jiné je kladen stále větší důraz na chemické složení slévárenských slitin a to jak z hlediska jejich čistoty, resp. obsahu nežádoucích či doprovodných prvků, tak z hlediska přídavků prvků zlepšujících jejich vlastnosti.

Často nejde o procentuálně významné přídavky, naopak sledujeme v legování posun od desetin a setin procenta přísadových prvků k tisícinám procenta až ppm. Lze hovořit o metalurgické homeopatii. Jako milník v tomto směru lze uvést 70. léta, kdy se v metalurgických procesech začaly využívat prvky, jako stroncium, beryllium, scandium, yttrium a lanthanoidy. Právě prvky Sc, Y a prvky skupiny La tvoří tzv. kovy vzácných zemin (RE), které nalezly uplatnění zejména ve slitinách hořčíku, ale i ve slitinách hliníku. Jejich velkým handicapem, který často nemůže být vyvážen jejich přínosem ke zvýšení hodnot mechanických a fyzikálních vlastností slitin, je jejich cena a v důsledku nekonkurenceschopnost odlitků z takto legovaných slitin. S cenou těchto prvků ale souvisí i další aspekty jejich produkce. Např. v roce 2010 Čína, v posledních letech nejvýznamnější producent RE (obr. 1), neoficiálně vyhlásila embargo na vývoz RE, které významně zasáhlo např. japonský automobilový průmysl. Nabízí se otázka, zda je možné tyto prvky nahradit a zmenšit tak závislost na téměř výhradním producentovi – Číně. Zatímco v případě průmyslových odvětví, jakými jsou elektrotechnika a zejména IT technologie, je tato náhrada obtížná, v metalurgických procesech je do určité míry možná. U slitin neželezných kovů se nabízí např. vápník.

Reklama
Reklama
Reklama

Obr. 1. Světová produkce oxidů kovů vzácných zemin [2]

Vápník ve slitinách hliníku

Vápník je doprovodný prvek, který se do slitin Al-Si dostává obvykle s křemíkem. Má slabý modifikační účinek, tzn. že ovlivňuje krystalizaci slitiny tak, že její výsledná struktura, respektive její určité složky, ztuhnou v jemnějších formacích, z původních deskovitých útvarů eutektického křemíku se stanou jemnější lamely až vlákna, která se na metalografickém výbrusu projeví jako tečky. To má významný přínos pro hodnoty mechanických vlastností, zejména tažnosti, která je u slévárenských slitin hliníku obecně nízká, ale i pevnosti a dalších vlastností. Tento účinek se u vápníku dříve považoval za prakticky nevyužitelný. V poslední době se však objevují experimentální práce, které se snaží dokázat, že vápník lze využít nejen k modifikaci eutektického křemíku, ale i ke zlepšení technologických vlastností, jako je zabíhavost a obrobitelnost při zachování dobré korozní odolnosti.


Vliv modifikátoru na dvojčatění křemíku za stejných podmínek ochlazování [5], Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Typické modifikační prvky jsou sodík a stroncium. Slabší modifikační účinek má i řada dalších prvků skupiny IA, IIA a kovů vzácných zemin, např. baryum a ytterbium. Další prvky, u kterých byl potvrzen účinek způsobující vláknitou modifikovanou strukturu, jsou např. draslík, rubidium a cer. Je několik dalších prvků, které způsobují zjemnění jehlicovité struktury na lamelární, a to arzen, selen a kadmium. V posledních letech ukazují výzkumné práce na pozitivní účinky skandia, nejen jako legury pro zvýšení pevnosti zmenšením velikosti zrna, snížení sklonu k tvorbě trhlin za tepla, zvýšení odolnosti proti korozi a zvýšení teplotní stability, ale také jako modifikačního činidla.

Princip modifikace

Princip modifikace i přes vyspělé metody výzkumu materiálových inženýrů není doposud uspokojivě vysvětlen. Jedna z nejstarších a zatím obecně přijímaných teorií tvrdí, že efektivita účinku modifikátoru závisí na hustotě dvojčat v částicích křemíku. Z uvedených prvků, které mají modifikační účinek, dává zdaleka nejmenší vzdálenost rovin dvojčatění sodík (tab. 1), a právě proto je modifikační účinek sodíku nejsilnější.


Obr. 2. Zobrazení prvků podle poloměru atomu a atomového čísla, oblast poloměrů atomu vhodného k modifikaci vyznačena pruhem [6].
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

V konfrontaci s ostatními prvky uvedenými v tabulce 1 si vápník nevede příliš dobře. Nicméně další přístupy k principu modifikace eutektického křemíku ukazují, že se pro tento zpracovatelský proces vápník hodí. Povrch krystalů křemíku v modifikované slitině je v důsledku mnoha rovin dvojčatění hrubý. Částice křemíku jsou krystalicky nedokonalé a každá krystalická vada je potenciálním místem pro další větvení. Významný rozdíl v hustotě dvojčatění je způsoben pouze zlomkem jednoho hmotnostního procenta modifikátoru. Atomy modifikátoru jsou absorbovány směrem k růstu křemíkového rozhraní tuhé a tekuté fáze. Když poloměr atomu modifikátoru je v poměru 1,646 k poloměru atomu křemíku, způsobí to růst dvojčatění na rozhraní. Tuto hodnotu poměru autoři spočítali jako limitní k indukovanému dvojčatění. Zde se ale objevují trhliny této teorie. Sodík, který nemá zcela ideální poměr poloměru atomu s matricí (viz obr. 2), je v praxi lepším modifikátorem než např. vápník a ytterbium, které jsou blízko ideálnímu poměru. A např. lithium, které leží mimo oblast použitelnosti, se ukázalo jako vhodný modifikační prvek, pokud je přidáno ve vysokých koncentracích.


Obr. 3. Nahraditelnost kovů ve významných průmyslových aplikacích [9] Pro zvětšení klikněte na obrázek.

V případě aplikace vápníku jako modifikátoru je však potřeba dodržet určitá pravidla. Kombinovaný účinek prvků Na, Sr, P, Ca není dostatečně prozkoumán a existují jenom ojedinělé pokusy o vysvětlení vzájemného modifikačního vlivu prvků Sr-P a Ca-Na-Sr, případně Na-P. Z výsledků těchto prací však vyplývá, že vzájemný účinek těchto prvků se ruší, a proto není vhodné je kombinovat.

Vápník ve slitinách hořčíku

U slitin hořčíku je z hlediska legování cílem většinou zvýšit odolnost proti korozi a použitelnost slitiny za vyšších teplot, což jde často ruku v ruce. Do konvenčních slitin hořčíku, které jsou legovány typicky do 10 % hliníkem a cca 1 % zinku (např. nejpoužívanější slitina AZ91), se často přidávají kovy vzácných zemin. Ve skutečnosti je používání RE jako legujících prvků spojeno převážně s jediným negativním faktorem, a tím je jejich vysoká cena, která omezuje rozsah použití slitin typu Mg-RE. Kromě RE se používají i další legury, jako např. stroncium, thorium, lithium a další, např. právě vápník. Na slitinu má vápník několik efektů: pokud se přidává do taveniny těsně před litím, snižuje tendenci k oxidaci během tuhnutí i následného tepelného zpracování a žáruvzdornost všeobecně. U hořčíkových plechů pak zlepšuje jejich válcovatelnost. Celkově zvyšuje odolnost slitin proti korozi. Obsah by měl být držen pod 0,3 %, jinak vede k praskání především při svařování. Vápník je třeba vhodně kombinovat s dalšími legurami. Například přídavek stroncia do konvenční slitiny se projeví ve zmenšení velikosti zrna a tím ve zvýšené pevnosti a vyšší creepové odolnosti. V kombinaci s přídavkem vápníku (optimálně 1 %) lze dosáhnout při pokojové teplotě pevnosti v tahu 250 MPa a tažnosti 3,5 %, při teplotě 175 °C byly tyto hodnoty u slitin AJC411 a AJC711 výrazně lepší než u slitiny AZ91 bez přídavku zmiňovaných prvků.

Naproti tomu jiná práce ukazuje, že přídavek stroncia do slitiny typu Mg-Al-Ca způsobuje hrubnutí matrice α(Mg), nicméně při zvýšení obsahu Sr z 0,1 na 0,5 % se velikost zrna sníží z 83,9 na 65,8 µm. Přídavek 0,1–0,3 % Sr zjemní fázi Al2Ca a změní její morfologii z kostrovitých útvarů na granulární až pásovité a zvýší jejich objemový podíl.

Kovové pěny

Nezastupitelnou roli sehrává vápník v metalurgii perspektivní skupiny materiálů, jakou jsou kovové pěny. Při výrobě porézního materiálu z lehkých slitin, zejména slitin hliníku, je nutné vnést do taveniny nadouvadlo, které během tuhnutí vytvoří dostatečně jemnou celulární strukturu, která je v celém objemu výsledného produktu homogenní. To v metalurgické praxi znamená překonání značných úskalí, jako je smáčivost nadouvadla roztaveným kovem, povrchové napětí taveniny, rozpustnost nadouvadla, jeho reakce s taveninou, homogenizace a podobně. Zde nastupuje vápník jako zahušťovadlo taveniny slitiny hliníku, které metalurgický proces usnadňuje.

Z výše uvedených faktů vyplývá, že po období, kdy byly materiálovými inženýry a vědci zkoumány účinky exotických prvků, je třeba se nyní obrátit zpátky k prvkům dostupným jak z ekonomického, tak i z pohledu řekněme zeměpisně-politického, pokud to jde. Obr. 3 ukazuje míru nahraditelnosti kovů podle prof. Graedela z Yalské univerzity – červená barva (hodnota 100) znamená, že pro žádné (průmyslově významné) použití neexistuje plnohodnotná náhrada prvku.

Ing. Barbora Bryksí Stunová, Ph.D.
Ing. Marek Česal

FS ČVUT v Praze, Ústav strojírenské technologie

barbora.stunova@fs.cvut.cz

Použitá literatura
[1] Co nám může v budoucnosti nejvíce chybět? Na čem jsme závislí? Technický týdeník, č. 01/2014, roč. LXII, str. 3.
[2] Xiaoyue Du a T. E. Graedel. Global In-Use Stocks of the Rare Earth Elements: A First Estimate. Environ. Sci. Technol., 2011, 45 (9), s. 4096–4101.
[3] GRUZLESKI, J. E.; CLOSSET, B. E. The Treatment of Liquid Aluminium – Silicon Alloys. Des Plaines : American Foundrymen´s Society, Inc., 1999, 256 s.
[4] PRUKKANON, W.; SRISUKHUMBOWORNCHAI, N.; LIMMANEEVICHITR, Ch. Influence of Sc modification on the fluidity of an A356 aluminum alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2009, 487, s. 453–457. ISSN 0925-8388.
[5] ROUČKA, J. Metalurgie neželezných slitin. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2004, 148 s. ISBN 80-214-2790-6.
[6] GUTHY, H. V. Evolution of the Eutectic Microstructure in Chemically Modified and Unmodified Aluminum Silicon Alloys. Worcester, 202. 106 s. A Thesis. Worcester Polytechnic Institute. Dostupné z WWW: <//www.wpi.edu/Pubs/ETD/Available/etd-0404102-182335/unrestricted/guthy.pdf>.
[7] HIRAI, K. et al. Effects of Ca and Sr addition on mechanical properties of a cast AZ91 magnesium alloy at room and elevated temperature. Materials Science & Engineering A. 2005, A 403, s. 276–280. ISSN 0921-5093.
[8] LOU, Y.; BAI, X.; LI, L. Effect of Sr addition on microstructure of as-cast Mg-Al-Ca alloy. Transaction of Nonferous Metals Society of China. 2001, 21, s. 1247 - 1252. ISSN 1003-6326.
[9] Graedel et al. The Criticality of Metals. Center for Industrial Ecology, Yale School of Forestry & Enviromental studies. Dostupné z WWW: //cie.research.yale.edu/research/criticality-metals.

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 140153
Datum: 12. 02. 2014
Rubrika: Trendy / Slévárenství
Autor:
Firmy
Související články
Budoucnost nástrojových materiálů bez kritických kovů

V současné době jsou nejrozšířenějšími nástrojovými materiály slinuté karbidy a nástrojové oceli. Slinuté karbidy, tedy cermety tvořené vysokým podílem karbidů, převážně karbidu wolframu, a dále TiC, TaC a NbC, a kobaltem jako pojivem jsou využívány především pro výrobu výměnných břitových destiček pro strojní obrábění, případně vrtáků do zdiva a betonu. Díky výborné otěruvzdornosti a velmi dobré lomové houževnatosti jsou v poslední době tyto materiály využívány pro různé aplikace, jako je obrábění ocelí, litin i neželezných kovů.

Koroze napříč všemi obory

Mezinárodní konference Eurocorr, která každoročně přiláká k účasti tisícovku zástupců komerční i akademické sféry včetně nejvýznamnějších celosvětově uznávaných korozních inženýrů, řadu sponzorů a vystavovatelů z oblastí povrchových úprav a povlaků kovů, chemických úprav prostředí, elektrochemických protikorozních ochran, korozního monitoringu, inspekce a zkušebnictví a mnoha dalších, se letos v září díky Asociaci korozních inženýrů poprvé v historii konala v Praze.

Horké komory pro práci s radioaktivním materiálem

V Řeži u Prahy bylo vybudováno nové výzkumné centrum, jehož součástí byla také výstavba kom-plexu horkých komor. Účelem výstavby bylo vytvořit pracoviště pro bezpečnou práci s vysoce radi-oaktivním materiálem. Po pěti letech budování se na začátku roku 2017 podařilo úspěšně zahájit aktivní provoz laboratoří, které jsou schopné zpracování, mechanického testování a mikrostrukturní analýzy radioaktivních materiálů (tlakové nádoby, vnitřní vestavby reaktorů, pokrytí paliva) s aktivi-tou až 300 TBq 60Co, materiálů pro reaktory III. a IV. generace a fúzní reaktory.

Související články
Vysoce přesné odlitky pro energetiku

V dnešní době je kladen důraz na dodávky přesných odlitků vyráběných metodou vytavitelného modelu, u kterých nebude nutné provádět již další operace obrábění. Za posledních pět až sedm let se požadavky na relativní přesnost odlitků zvedly několikanásobně.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Kombinace technologií slévání a 3D tisku

Aditivní technologie přinášejí do oboru slévárenství nový pohled na věc a výrazně ovlivňují nejen proces výroby odlitků, ale i myšlení pracovníků ve slévárnách. Aditivní výroba zásadním způsobem mění zavedené pracovní postupy, systémy práce s výrobní dokumentací, technickou přípravu výroby a technologii výroby odlitků. Mění také možnosti konstrukce odlitků včetně jejich tvarové náročnosti. Proto můžeme bez přehánění tvrdit, že celou slévárnu a její postup výroby odlitků lze vměstnat do jednoho stroje - 3D tiskárny na kovy.

Aplikace nanomateriálů ve strojírenství

Nanotechnologie umožňují vývoj nových generací kompozitů s vylepšenou funkčností a širokou škálou aplikací. V současnosti nanokompozity představují mnoho aplikací v mnoha průmyslových oborech. Užitné vlastnosti nanomateriálů vyplývají z jejich výjimečných fyzikálních a chemických vlastností, velikosti, tvaru či povrchové morfologii. Velikostní efekt (size efect) umožňuje výrazně zlepšovat užitné vlastnosti konvekčních materiálů. Nanotechnologie díky svému inovačnímu potenciálu již dnes výrazně ovlivňují moderní průmyslové produkty.

Výuka a výzkum aditivních technologií

Inovativní výrobní technologie nacházejí své místo také v technickém vzdělávání. Do svých osnov je dříve či později zakomponovaly všechny technické vysoké školy. Avšak pořízení nákladných technologií se neobejde bez podpory ze strany průmyslového výzkumu. Na Fakultě strojní ČVUT v Praze nyní disponují úplně novým zařízením M2 cusing pro výrobu dílů metodou DMLS německého výrobce Concept Laser, dnes působící pod značkou GE Additive. Stroj dodala společnost Misan a technologie slouží primárně pro výzkum v leteckém průmyslu.

Ultra lehké komponenty vyráběné 3D tiskem

V posledních letech se do širšího povědomí dostávají aditivní technologie, neboli 3D tisk, kde je součást tvořena přidáváním materiálu nikoliv jeho odebíráním, jako je tomu u klasického obrábění. Jejich využití je zkoumáno napříč nejrůznějšími obory od strojírenství přes architekturu až po medicínu a módu. Pokud se omezíme na 3D tisk kovů, zjistíme, že aditivní technologie jsou brány jako prostředek pro výrobu tvarově složitých a občas konvenčními způsoby zcela nevyrobitelných dílů. Jsou brány jako jakási ideální výrobní technologie pro výrobu čehokoliv. V posledních letech se navíc stále více skloňuje spojení aditivní technologie a topologické optimalizace, což je způsob návrhu tvaru dílu na základě matematické optimalizace. Jak lze tušit, navržený tvar je značně složitý a často bývá označován jako organický. Takové díly jsou údajně vhodné pro 3D tisk, ale není tomu tak. Ve většině případů je realita daleko prozaičtější. Použití aditivní technologie je pouze jediná možnost, jak takový díl vyrobit.

Obrábění těžkoobrobitelných materiálů

Stále rostoucí požadavky výrobců proudových motorů vyžadují kontinuální vývoj žárupevných materiálů. Klasické metody obrábění jsou zde na hranici svých možností, efektivní alternativou je elektroerozivní řezání drátovou elektrodou.

Aditivní výroba unikátních řezných nástrojů

Aditivní technologie jsou jedním z nosných pilířů Průmyslu 4.0. Od roku 2014, kdy v ČR 3D tisk kovů odstartoval „ve velkém“, byla o této problematice napsána celá řada publikací, díky nimž je tato technologie považována za poměrně známou. Jedním z průkopníků 3D tisku v ČR je firma Innomia, která přinášela informace o technologii DMLS do povědomí českého průmyslu již několik let před tímto zmiňovaných boomem.

Aktuální možnosti v laserovém svařování

Laserové svařování lze v dnešní době považovat za velice moderní technologii. Vysoké svařovací rychlosti, štíhlý svar a z toho plynoucí výhody jsou pozitiva, která umožnila začlenění této metody do progresivních výrobních technologií. Tento článek si klade za cíl představit aktuální možnosti laserových svařovacích technologií.

Průmyslové využití nejvýkonnějších laserů

Již několik desetiletí jsme svědky postupného nabývání významu a upevňování pozice laserů nejen v průmyslových provozech, ale i ve zdravotnictví, metrologii a mnoha dalších oblastech. Na stránkách tohoto vydání je uvedeno hned několik možností jejich využití, všechny jsou však velmi vzdálené možnostem laserů vyvíjených v centru HiLASE. V Dolních Břežanech u Prahy totiž vyvíjejí „superlasery“.

Zubní náhrady aneb strojírenství i v dentálním průmyslu

Zubní náhrady se vyrábějí již od dob egyptských faraonů téměř stejným způsobem. Pouze materiály a metody se za tu dobu vyvinuly na úroveň 21. století.

O materiálovém inženýrství pro strojírenství

Ve srovnání s tradičním strojním inženýrstvím vzniklo materiálové inženýrství jako vědní a studijní obor před poměrně krátkou dobou. Zkušenosti ukazují, že jeho podstata není části technické veřejnosti a zejména mnohým studentům strojního inženýrství zcela jasná. To je i možnou příčinou, že počet materiálových inženýrů neodpovídá potřebám strojírenského průmyslu. Materiálové inženýrství se přitom zásadním způsobem podílí na modernizaci a konkurenceschopnosti strojírenských výrobků a zařízení, zvyšování efektivnosti jejich výroby a snižování energetické náročnosti jejich provozu.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit