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
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.

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.

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

Profesor Stanislav Hosnedl 80

V říjnu tohoto roku se prof. Stanislav Hosnedl dožívá významného životního jubilea 80 roků. V roce 1964 dokončil studia v oboru Konstrukce obráběcích strojů na VŠSE FST v Plzni. Roku 1984 získal vědecko-akademický titul CSc., který po revoluci, později v roce 1990, obhájil také na ČSAV Praha. V roce 1992 se habilitoval a konečně v roce 2002 byl jmenován profesorem pro obor Strojní inženýrství.

Inovace: Změna úhlu pohledu

Určitě jste to zažili taky. Je večer, jasná obloha a vy vidíte, jak měsíc balancuje přesně na špičce věže kostela. Stačí ale malá změna úhlu pohledu a měsíc je jinde. Jaký je váš úhel pohledu na inovace ve strojírenství?

Na cestě ke zrození stroje, část 7: Realizace

Série deseti článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje proces výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

Na cestě ke zrození stroje, část 6: Projekce

Série 10 článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje výrobu obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a jež po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

Chceme svítit

Povědomí o bývalém vojenském prostoru Stříbro v západní části naší republiky přinášejí buď vzpomínky osobního rázu, nebo přicházejí skrze narukované, kteří zde společně, převážně s romskými spoluobčany z tehdejšího východu Československa, v tankových praporech chránili naši republiku proti vpádu západních imperialistů. Doba se naštěstí změnila. Nyní je to rozvíjející se region jak díky blízkosti k Německu a hlavní dálniční tepně, tak i zásluhou generace techniků, kteří se zde kolem plzeňské Škody zrodili a po jejím rozpadu a rozmělnění se vydali na cestu soukromého podnikání ve strojírenském oboru. Do jedné z takových firem, nacházející se v Kladrubech u Stříbra, jsem se vypravil. Důvodem byla ukázka vzniku a růstu dalšího partnerství s dodavatelem technologií obrábění, společností Mazak.

Na cestě ke zrození stroje, část 5: Zakázka

Série deseti článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje proces výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

Pořádná špona je dnes věda

S obráběním, vrtáním pomocí nástroje začali pravděpodobně jako první už staří Egypťané cca 4 000 let před naším letopočtem, přičemž využívali tětivu luku – základ smyčcového soustruhu. Potom přišel středověk, dále Leonardo da Vinci a návrh prvního soustruhu… Technologie třískového obrábění ale v porovnání s dnešní dynamikou vývoje postupovala jen pomalu.

Lesk a bída českých obráběcích strojů

Česká republika, resp. tehdejší Československo, mělo bohatou historii ve výrobě obráběcích strojů. Kde v období největší slávy byli ve svých inovačních počinech současní světoví lídři, když např. kovosviťácký konstruktér Ladislav Borkovec se již v roce 1977 začal zaobírat myšlenkou multifunkčního soustružnicko-frézovacího stroje? Přes dřevěný kinematický model, který si vytvořil doma v dílně, vedla dlouhá cesta až k prototypu prezentovanému  na EMO v Paříži v roce 1980. Po vyrobení 45 strojů řady MCSY, které nenazval nikdo jinak než „Boháro“, byla z ekonomických důvodů a nedostupnosti kvalitní řídicí elektroniky bohužel výroba v tehdejším Kovosvitu ukončena. Dva bývalé kovosviťáky, srdcem i duší, Jiřího Mindla a Vladislava Čítka, jsem díky jejich letitým zkušenostem celoživotního zasvěcení oboru obráběcích strojů požádal o rozpravu nad současným stavem tuzemského oboru výrobních strojů a nad tím, jaké jsou jeho případné perspektivy.

Na cestě ke zrození stroje, část 3:
Cenová nabídka

Série deseti článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje proces výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

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