Témata
Reklama

Nové obrobitelné slitiny hliníku bez olova

Podle nové směrnice ES nebude možno v zemích Evropského společenství po 1. 7. 2003 používat v nových vozidlech olovnaté obrobitelné tvářené slitiny hliníku. Ve Výzkumném ústavu kovů v Panenských Břežanech byly ve spolupráci s firmou Alusuisse Děčín vyvinuty nové slitiny hliníku, ve kterých je olovo nahrazeno cínem v kombinaci s vizmutem.

Ve světě se dosud vyrábějí a všeobecně komerčně využívají tři základní typy obrobitelných slitin: Al Cu6BiPb, Al MgSiPb a Al Cu4PbMg(Mn). Tyto typy slitin jsou normalizovány v mezinárodních a evropských normách i ve všech národních normách vyspělých států světa. Dobrá obrobitelnost těchto slitin používaných pro třískové obrábění je podmíněna přítomností olova jako legujícího prvku. Bez olova mají slitiny malou lámavost třísky, jakost obrobeného povrchu je špatná, spotřeba energie na obrábění vysoká. Obzvláště při zpracování na obráběcích automatech je nutné používat materiály, které mají zaručenou obrobitelnost zejména z hlediska utváření třísek. U běžně používaných obrobitelných slitin se obsah olova pohybuje od 0,5 do 1,5 % hm. Dobrá obrobitelnost je zaručena především přítomností měkkých, nízkotavitelných fází s obsahem olova. Při lokálním zvýšení teploty v místě řezu dochází k natavení těchto fází, a tím ke zlepšení lámavosti třísky. Fáze zabraňují tvorbě nárůstků na čele nástroje a významně snižují energetickou náročnost obrábění. Pro svou měkkost minimálně působí na abrazivní opotřebení nástroje.
Reklama
Reklama

Obsah olova se omezuje na minimum

Olovo je pro lidský organismus škodlivé. Nepříznivě ovlivňuje hematologický a nervový systém, má nepříznivé účinky na činnost ledvin a dalších orgánů. Ekologické tlaky na eliminaci slitin obsahujících olovo stále sílí. Postupně se zpřísňují normy na úroveň obsahu těžkých kovů ve vodě, potravinách a v celém životním prostředí. Slévárny a další výrobci, kteří zpracovávají olovnaté slitiny hliníku, budou muset postupně instalovat drahé monitorovací zařízení ke kontrole emisí tak, jak je to již zavedeno u zpracovatelů berylliových bronzů.
Současné legislativní předpisy Evropského společenství silně omezují obsah olova v kovech a slitinách. Například podle nové směrnice 2000/53/EC Evropského parlamentu "End of Life Vehicles Directive" schválené 18. 9. 2000 je povolený obsah olova v tvářených hliníkových slitinách omezen na max. 0,4 % hm. Všechny tři typy současných olovnatých automatových slitin hliníku mají obsah Pb větší, než je tato hodnota.

Bezolovnaté alternativy obrobitelným slitinám hliníku

Otázka nutnosti vývoje bezolovnatých obrobitelných slitin hliníku byla v polovině 90. let otevřena firmou Alusuisse Děčín, s. r. o. Ve spolupráci s touto firmou byly ve VÚK (Výzkumný ústav kovů) Panenské Břežany, s. r. o., vyvinuty dvě nové bezolovnaté hliníkové automatové slitiny. Dokončený vývoj v této oblasti znamená evropské prvenství, podobný vývoj proběhl prakticky souběžně jen v americké firmě Alcoa. Těmito dvěma novými slitinami jsou jednak AlCuSnBi s obchodním názvem Stanal 37, která nahrazuje slitinu AlCu6BiPb podle evropských norem označenou EN AW-2011, jednak Al.MgSiSnBi s obchodním názvem Stanal 32, která nahrazuje olovnaté slitiny Al.MgSiPb a Al.Mg1SiPb (EN AW-6012 a EN AW-6262). Slitina Al.MgSiSnBi (Stanal 32) je již chráněna evropským patentem, u slitiny Al.CuSnBi (Stanal 37) je podaný návrh patentu ve schvalovacím řízení.
Další obrobitelnou hliníkovou slitinou, na které se nyní ve VÚK pracuje, je bezolovnatá alternativa automatových slitin duralového typu AlCu4PbMgMn a AlCu4PbMg (EN AW-2007 a EN AW-2030). Tyto olovnaté slitiny obsahují relativně vysoké množství Pb (0,8 ÷ 1,5 % hm.). Představují poslední ze tří základních skupin olovnatých obrobitelných slitin hliníku. Pro svou vysokou pevnost a snadnou obrobitelnost to jsou jedny z nejrozšířenějších automatových hliníkových slitin používaných v kostruktérské praxi u nás a v celé Evropě. Jsou normalizovány v evropských normách a národních normách mnoha zemí a dosud se běžně používají např. v Německu, Švýcarsku, Itálii, Francii, Španělsku, Norsku a dalších zemích. Pro vysoký obsah olova bude použití těchto vysokopevných slitin rovněž silně omezeno, zejména v dopravním strojírenství a v potravinářském průmyslu.

Slitina Stanal 37 na bázi Al.CuSnBi

Slitina typu Al.CuSnBi s nominálním obsahem mědi 5 % hm. a s obsahy nízkotavitelných kovů cínu a vizmutu, každého v nominálním množství 0,5 % hm., nahrazuje olovnatou automatovou slitinu Al.Cu6BiPb (EN AW-2011). Ve stavu po umělém stárnutí (T6) slitina vykazuje vysoké pevnostní hodnoty (Rp0,2 a Rm) a tvrdost, které převyšují pevnosti a tvrdosti běžně dosahované u zavedené komerční slitiny AlCu6BiPb. Je to způsobeno tím, že na rozdíl od olova a vizmutu cín výrazně mění kinetiku rozpadu tuhého roztoku Al-Cu. Zvyšuje účinnost precipitace na vytvrzení při umělém stárnutí. Tento příznivý efekt cínu se však snižuje s plastickou deformací po rozpouštěcím žíhání. Technologie výroby tyčí a profilů z této slitiny musí s touto specifickou vlastností Stanalu 37 počítat. Slitina ve stavech T6 a T8 vykazuje vynikající stáčivost a lámavost třísky a dobrou drsnost obrobeného povrchu. Tyto vlastnosti Stanalu 37 jsou přinejmenším na stejné úrovni jako u slitiny Al.Cu6BiPb. Velmi dobrou obrobitelnost nové slitiny zajišťují kulovité fáze bohaté cínem a vizmutem, rovnoměrně rozložené ve struktuře slitiny. Zkoušky obrobitelnosti byly prováděny v Ústavu strojírenské technologie na ČVUT v Praze, Fakultě strojní.

Slitina Stanal 32 na bázi Al.MgSiSnBi

Obrobitelné slitiny na bázi Al.MgSiPb se uplatňují všude tam, kde vedle dobré obrobitelnosti jsou důležité i vysoké korozní odolnosti nebo velmi dobrá eloxovatelnost. Nová bezolovnatá slitina Al.MgSiSnBi s nominálním obsahem hořčíku 0,9 % hm., křemíku 1,0 % hm., manganu 0,4 % hm. a mědi 0,3 % hm. a obsahy nízkotavitelných kovů, a to cínu a vizmutu, každého v nominálním množství 0,5 % hm., nahrazuje olovnaté automatové slitiny typu Al.MgSiPb (EN AW-6262 a EN AW-6012). Slitina vykazuje velmi dobré mechanické vlastnosti.
Při optimálním chemickém složení a vhodné technologii výroby vykazuje slitina stáčivou a lámavou třísku a velmi dobrou jakost obrobeného povrchu, která převyšuje kvalitu třísky zavedených olovnatých slitin. Podmínkou kvalitní třísky při obrábění soustružením je zajištění vzniku dostatečného množství nízkotavitelných kulových fází ve struktuře slitiny a omezený obsah vysokotavitelných intermetalických fází Mg2Sn a Mg2Bi3, které pro vysoké body tání (778 °C a 823 °C) a vysoké tvrdosti zřejmě výrazně k zlepšení obrobitelnosti nepřispívají.
Ve spolupráci se zahraničním ústavem bylo zjištěno, že eloxovatelnost a korozní odolnost v řezných kapalinách obou nových slitin jsou na stejné úrovni nebo lepší než u technických olovnatých slitin Al.Cu6BiPb a Al.Mg1SiPb.
Obě nové slitiny zařadila firma Alusuisse Děčín, s. r. o., do svého výrobního programu. Firma dodává lisované tyče a profily z těchto slitin v různých rozměrech a v příslušných stavech zpracování.

Slitina na bázi Al.CuMgSnBi

V současné době je ve stadiu poloprovozního ověřování v pořadí třetí nová bezolovnatá obrobitelná slitina na bázi Al.CuMgSnBi. Slitina představuje bezolovnatou alternativu automatových olovnatých slitin duralového typu. Výsledky ukázaly, že slitinou o nominálním složení Cu ~ 4,6 % hm., Mg ~ 0,6 % hm. a Mn ~ 0,6 % hm. s přidáním cínu kolem 1 % hm. a vizmutu kolem 0,3 % hm. lze nahradit automatové slitiny Al.Cu4PbMgMn a Al.Cu4PbMg (EN AW-2007 a EN AW-2030).
Experimentální slitina Al.CuMgSnBi vykazuje při úplném vytvrzení podobné mechanické vlastnosti jako zavedené obrobitelné slitiny duralového typu s obsahem olova. Její obrobitelnost při soustružení, hodnocená tvarem a lámavostí (dělitelnosti) třísky, je úzce spojena s obsahem hořčíku. Při nižší úrovni obsahu Mg je obrobitelnost bezolovnaté slitiny podstatně lepší než obrobitelnost stávajících technických obrobitelných slitin duralového typu s obsahem olova.
Vynikající stáčivost a lámavost třísky nové slitiny způsobuje přítomnost drobných globulárních částic, případně protažených tyčinek, fází bohatých cínem, někdy doprovázené vizmutem, ve struktuře slitiny. U experimentální slitiny s nižším obsahem hořčíku (Mg 0,3 % - X4 obsahuje většina těchto částic pouze cín, případně doprovázený vizmutem (obr. 9a). Tyto měkké, nízkotavitelné částice snižují tření mezi řezným nástrojem a obráběným materiálem a usnadňují lámání odcházející třísky. Proto experimentální slitina s nižším obsahem hořčíku vykazovala v obou zkoušených stavech (T6 a T4) vynikající stáčivost a lámavost třísky. Ve struktuře slitiny s vyšším obsahem Mg kolem 0,8 % hm. (slitina V1) se zvyšuje počet částic, které vedle nízkotavitelných kovů Sn a Bi obsahují hořčík, tvořící s nízkotavitelnými přísadami tvrdé intermetalické fáze s vysokou teplotou tání. Hořčík tak snižuje pozitivní vliv cínu a vizmutu na obrábění.
V zavedených olovnatých slitinách Al.Cu4PbMgMn jsou měkké nízkotavitelné fáze zlepšující obrobitelnost tvořeny fázemi olova. Z analýzy struktury vyplynulo, že rozložení částic olova ve struktuře vzorků této slitiny bylo značně nerovnoměrné, oproti rovnoměrnému rozložení měkkých fází Sn ve struktuře experimentální slitiny. Tím lze vysvětlit relativně nízkou kvalitu třísky olovnaté slitiny Al.Cu4PbMgMn se sklonem tvorby spojité třísky. Obzvláště velmi dobrou stáčivost a lámavost třísky prokázala experimentální bezolovnatá slitina s nižším obsahem Mg při vyšších řezných rychlostech. Za těchto podmínek obrábění se tato experimentální slitina ukazuje jako jednoznačně lepší než zavedené technické slitiny Al.Cu4PbMg(Mn) (EN AW-2007 a EN AW-2030).

Závěr

Bezolovnaté alternativy obrobitelných hliníkových slitin Stanal 32, Stanal 37 a vyvíjená slitina Al CuMgSnBi tvoří skupinu tvářených materiálů, které se svou obrobitelností, mechanickými vlastnostmi, korozní odolností a eloxovatelností vyrovnají stávající skupině olovnatých obrobitelných hliníkových slitin, jejichž použití v Evropském společenství bude legislativně silně omezeno zejména v automobilovém průmyslu. Připomeňme, že opatření ve výše zmíněné směrnici 2000/53/EC Evropského parlamentu "End of Life Vehicles Directive", vejdou v platnost od 1. 7. 2003. Podle této směrnice v zemích Evropského společenství tudíž nebude možno v nových vozidlech vyrobených po 1. 7. 2003 použít olovnaté obrobitelné tvářené slitiny hliníku. Nové slitiny hliníku, představené v našem článku, ve kterých je olovo jako přísada lámající třísku nahrazeno cínem v kombinaci s vizmutem, dávají předpoklady, že přechod na nové "ekologické materiály" vynucený legislativou bude usnadněn.
Reklama
Vydání #7,8
Kód článku: 10707
Datum: 11. 07. 2001
Rubrika: Inovace / Materiály
Autor:
Firmy
Související články
Made in Česko - Romantické tóny z Hradce Králové

V roce 1948 byla doslova ze dne na den znárodněna česká firma Petrof vyrábějící dokonalé, světově proslulé klavíry. Její majitel, dědeček dvou dam a pradědeček třetí, tedy těch, které v současné době firmu úspěšně vedou, musel tehdy okamžitě svoji továrnu opustit. O dlouhou řadu let později se, nejen díky revoluci, ale i díky nezměrnému úsilí jeho samého i jeho potomků, podařilo firmu, která figuruje na předním místě mezi českým „rodinným stříbrem“, vrátit do rukou rodiny Petrofů.

Expert na mikroobrábění

V loňském roce na MSV v Brně uvedla společnost Kovosvit MAS nové pětiosé vertikální centrum MCU450. Symbolicky na stánku společnosti Siemens, která pro prototyp stroje dodala řídicí systém, pohony, motory a zároveň rozváděč osazený ze 100 % komponenty Siemens. Již na veletrhu bylo oznámeno, že prvním zákazníkem obráběcího centra MCU450 bude katedra technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni. Vznikla intenzivní spolupráce mezi Kovosvitem MAS, Siemensem a vysokou školou, která již přináší první výsledky: aktuálně společnými silami zmíněné subjekty úspěšně řeší mikroobrábění. Předmětem jejich zájmu je těleso náramkových hodinek.

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.

Související články
3D technologie letem světem

Vývoj 3D technologií dnes již zasahuje téměř do všech oblastí výroby. Uplatnění nachází u kusové výroby, ale dokáže si najít své místo i v sériové a dokonce velkosériové výrobě, kde nemusí jít nutně o samotné výrobky, ale např. o výrobu nástrojů nebo přípravků.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

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.

EMO Hannover 2013: část 8 - upínání obrobků

V tomto vydání se již naposledy v ucelené monotematické retrospektivě poohlédneme po loňském veletrhu obráběcí techniky EMO Hannover. Autor tohoto příspěvku se zaměřil na problematiku upínání obrobků. A co nového v této oblasti firmy nabízejí? Čtěte dále.

EMO Hannover 2013: část 7 - Technologie, které mnohdy nejsou vidět

Význam a odborný dopad hannoverského veletrhu EMO je tak zásadní v oboru technologie obrábění, že se mu věnujeme na stránkách MM Průmyslového spektra i čtvrtý měsíc po zavření bran výstaviště. Tentokrát přinášíme ucelený pohled na materiály použité ve stavbě strojů.

Stroje pro to nejcennější

Než před 40 lety Fran Phillips založil svou firmu, pracoval jako samostatný obráběč - zručný kluk s frézkou a soustruhem v éře vesmírných závodů, kdy NASA velkoryse proměnila slib prezidenta J. F. Kennedyho v realitu, z čehož mohla těžit každá schopná obráběcí dílna v zemi. Jedna ze součástí, které tehdy Fran vyrobil, se stále nachází na Měsíci, přesně tam, kde ji astronauti z lodi Apollo zanechali. Oproti tomu jedna ze součástí, které vyráběl nedávno - stejně špatně dostupná, ale mnohem blíže domovu - je přesně a natrvalo usazena v jeho vlastní páteři. Stejně jako tisíce dalších pacientů z celého světa i Fran Phillips žije s implantátem vyrobeným na CNC obráběcích strojích Haas ve městě Elmwood v americkém státě New Jersey, kde sídlí firma Phillips Precision Medicraft (PPM).

EMO Hannover 2011, Část 8 - Materiály ve stavbě strojů

Dnešním předposledním dílem již pomalu uzavíráme náš profesně tříděný pohled na loňskou výstavu EMO Hannover. Dnes se zabýváme materiály ve stavbě obráběcích strojů, v příštím vydání se můžete těšit na zpracovanou oblast brousicích strojů.

Lože z minerálního kompozitu

Lože z minerálního kompozitu jsou základem pro produktivní obráběcí stroje. Lože obráběcích strojů z minerálního kompozitu (druh polymerbetonu) pomáhají zvyšovat rychlost a přesnost při frézování. Zkoušky zkušebních stojů ukazují, že ve srovnání s ocelí nebo litinou dochází k vyššímu tlumení vibrací a ke snížení hladiny hluku, bez zhoršení přesnosti výroby.

Lipsko letos jenom digitálně

Tradiční dvojice veletrhů pro oblast strojírenství a subdodavatelského průmyslu Intec a Z v Lipsku se letos uskuteční v termínu 2.–3. března 2021 výhradně digitálně pod názvem „Intec/Z connect“. Společnost Leipziger Messe, pořadatel veletrhu, se takto rozhodla, neboť současný vývoj koronavirové pandemie a s tím spojená omezení neumožňují takto velkou akci smysluplně realizovat klasickou ani hybridní formou

Německé inovace ocelí 2012

Předposlední červnový den vyhlásilo německé centrum pro informace o oceli Stahl-Informations-Zentrum v Düsseldorfu vítěze ceny Stahl-Innovationspreis 2012 v kategoriích: inovace výrobků z oceli, oceli pro stavebnictví, výzkum a vývoj ocelí, design výrobku z oceli a zvláštní cenu pro výrobek z oceli s největším ekologickým přínosem.

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.

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