Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Nové obrobitelné slitiny hliníku bez olova
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

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.

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.

Další články

Materiály konstrukční kovové
Obráběcí stroje a technologie
Výzkum/ vývoj

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích:


© 2019 www.mmspektrum.com | firemní web od FIREMNIWEB.CZ | Loadtime: | 0s