Témata
Reklama

Výhody použití Mg slitin v porovnání s ostatními konstrukčními materiály

Hořčík a jeho slitiny nabízí jako konstrukční materiál řadu výhod a charakteristických znaků. Automobilový průmysl začal již hořčík (Mg) a jeho slitiny intenzivně používat, a to ze začátku zejména pro interiérové prvky, jako je např. středový panel, přístrojová deska, rámy sedaček, volant, konstrukce střešních oken atd. Novým trendem v oblasti používání Mg slitin v automobilovém průmyslu je snaha o zmenšení hmotnosti i ostatních částí - začaly se používat na střešní panely, sklápěcí střechy, litá či tvářená kola, sestavy pro vnitřní potrubí, víka hlav válců, olejové vany, startéry, alternátory, a dokonce bloky motorů.

Vlastností, která omezuje aplikaci Mg a jeho slitin a vede spíše k používání slitin Al a plastů, je jeho horší korozní odolnost. Její zlepšení je cílem vývojářů technologií a budoucím klíčovým výstupem, po jehož zvládnutí se očekává expanze používání Mg slitin nejen v automobilovém a leteckém, ale i ve spotřebním průmyslu.
Vzhledem k hlavní charakteristice Mg slitin, kterou je nízká hustota, se Mg nabízí k rozsáhlému používání při snížené hmotnosti a tomu odpovídajících úsporách paliva. Experimentálně získaná data ukazují možnost celkové úspory hmotnosti přibližně 10 %, což vede k úsporám paliva o řádově 20 - 30 % bez drastických změn v konstrukci automobilu. Nové osobní automobily produkují průměrně 150 g/km výfukových plynů. V případě použití Mg slitin může být množství výfukových plynů redukováno na 100 - 120 g/km. Vzhledem k velkému a neustále narůstajícímu počtu automobilů může tedy dojít k výraznému poklesu produkovaného a vypouštěného CO2 výfukovými plyny do atmosféry, což opět bude zmírňovat dopady globálního oteplování (Kjótský protokol). Mg a jeho slitiny jsou nyní ve středu pozornosti vývojářských týmů např. USAMP (the United States Automotive Materials Partnership), které se ve spolupráci s konstruktéry aut snaží vyvinout rodinný automobil se spotřebou nižší než 2,9 l/100 km. Na tomto projektu se podílí vláda USA, konstruktéři aut, univerzity a národní laboratoře.
Australské závody zabývající se výrobou součástí z Mg slitin oznámily založení strategické aliance s Německem - hlavním cílem této aliance je provést potenciální nákladový odhad pro výrobu bloku motoru z Mg slitin, určit vhodný typ Mg slitiny pro blok motoru, otestovat prototypy a zavést tuto technologii do hromadné výroby. Odhad spotřeby pro tuto hromadnou výrobu je 7000 t/rok Mg slitin. Snahou této aliance je vyvinout během příštích deseti let bloky motorů pro řadu osobních automobilů.
Hlavní výhody Mg a jeho slitin před ostatními materiály spočívají v aplikaci technologie tlakového lití. Tato technologie nabízí velké množství ekonomických výhod. Mnohé typy součástí nemohou být s ohledem na materiálové a technologické vlastnosti vyráběny z jiných materiálů či srovnatelnou technologií.
Přestože je technologie tlakového lití v současné době již na vysoké úrovni, jsou neustále snahy tuto technologii zdokonalovat a používat nové typy slitin se speciálními vlastnostmi a nové zdokonalené modifikace, jako např. thixo casting, rheo casting, squeeze casting atp.
Řadu aspektů je naopak ještě nutné zdokonalit: jedná se například o vývoj odpovídajícího nástrojového materiálu pro slitiny s vysokou teplotou tavení nebo zlepšení dokončovacích technik ve výrobě nástrojů pro velké lisovací stroje (přesnost rovinnosti řádově setiny ?m - snížení nebezpečí prostřiku u nástroje). Technologie zpracování Mg slitin je natolik obtížná, že podle současných poznatků je nejlepší pro výrobu členitých výrobků z Mg slitin používat technologii tlakového lití či gravitační lití do pískových či kovových forem.
Mnohé tlakové slévárny jsou si vědomy toho, že Mg slitiny jsou dražší, náchylnější ke korozi a zvyšují bezpečnostní rizika (zejména je důležitá protipožární ochrana). Řada těchto obav je však zveličena. Za účelem ovládnutí dalších trhů a rozšíření používání Mg slitin, a to nejen v oblasti tlakového lití, musí jejich výrobci a zpracovatelé společně s materiálovými inženýry a univerzitami vzdělávat další technickou generaci a technickou veřejnost a zbavovat je mylných představ a mýtů ohledně zpracování Mg slitin.
Jednou z nejefektivnějších cest vzdělávání lidí z praxe a studentů na univerzitách je seznamování s pozitivními výhodami tlakového lití Mg slitin. Nejlepší cestou k tomu je sledovat hlavní ekonomické výhody a porovnat je s ostatními konstrukčními materiály a podobnými technologickými procesy.
Klíčové výhody Mg a jeho slitin
1. Většina Mg slitin má výbornou tekutost a zabíhavost, což je výhodné u tvarově složitých a tenkostěnných odlitků.
2. Mg slitiny mají nižší hodnoty specifického objemového tepla než slitiny Al a Zn, tzn. že odlitky z Mg slitin chladnou rychleji, což umožní zrychlení licího cyklu a tím pádem i snížení opotřebení nástroje.
3. Mg a jeho slitiny se vyznačují velmi nízkou hustotou, tzn. že stejných vtokových podmínek může být dosaženo nižšími tlaky.
4. Fe z nástroje má velmi nízkou rozpustnost v tekutých Mg slitinách, je tedy sníženo nebezpečí tzv. lepení na nástroj (nejčastěji se s tímto jevem setkáváme u Al slitin). 5. Ze všech výše uvedených výhod vyplývá hlavní výhoda - prodloužení životnosti nástroje na dvoj- až trojnásobek v porovnání se slitinami Al.
Další výhody aplikací Mg a jeho slitin
  • Spojování částí - slévatelnost a rozměrová stabilita Mg slitin dovoluje, aby výrobek byl vyroben jako jednodílný - je to lepší i z hlediska rovnoměrnosti struktury:
  • homogenní konstrukce;
  • zjednodušená konstrukce;
  • vyšší spolehlivost;
  • méně spojů, částí a spojovacích elementů;
  • nízké náklady (odpadají náklady na spojování a montáž);
  • méně odpadů a zmetků;
  • nižší neurčitelné náklady;
  • snazší skladování.
  • Zjednodušení konstrukce - je možné až do jednoduché skořepiny. To je i jedna z výhod, která může vést k používání silnostěnných Mg částí místo tenkostěnných částí požadujících zvláštní vyztužení:
  • větší robustnost, která prodlouží životnost a sníží počet oprav;
  • větší tuhost;
  • větší objemová kapacita pro stejnou velikost (nejsou potřeba výztužná žebra);
  • menší hmotnost při stejné objemové kapacitě;
  • hladký povrch pro dosažení lepšího vzhledu a aerodynamiky.
  • Mimořádná rozměrová stabilita - Mg slitiny odlévané technologií tlakového lití projevují stálý a předvídatelný staženinový poměr během tuhnutí a chladnutí. Součásti z Mg slitin jsou vyjímány z nástroje s minimální deformací a minimálními zbytkovými pnutími.
  • Vysoké výrobní tempo - Mg a jeho slitiny rychle chladnou (nízké specifické teplo), podobně se i s menšími energetickými náklady dosáhne tekutého stavu - ve srovnání se slitinami Al. Záleží na velikosti dílu a typu technologie, obecně však platí, že některé části z Mg slitin mohou být vyrobeny až o 50 % rychleji než stejné součásti z Al slitin.
    Prodloužení životnosti nástroje - díky rychlému chladnutí a nízké reaktivitě s Fe nedochází k lepení slitiny na formu a je snížen efekt tepelné únavy a eroze nástroje. Životnost nástroje se rapidně prodlouží (viz výše).
    Tyto faktory v kombinaci s faktem, že Mg a jeho slitiny mají pouze dvoutřetinovou hmotnost Al a jeho slitin, vedou k nárůstu používání tlakových odlitků z Mg slitin nejen v automobilovém průmyslu.
    V následujících dvou částech našeho seriálu o použití Mg slitin se budeme zabývat porovnáním jejich hlavních ekonomických faktorů se srovnatelnými materiály - tlakově litými slitinami Al a vstřikovanými plasty, dnes pak se slitinami zinku.
    Reklama
    Reklama
    Reklama

    Slitiny Mg versus slitiny Zn

    Významnou výhodou Mg slitin oproti Zn slitinám je snížení nákladů díky snížení hmotnosti a vysokému poměru výkon/hustota. Operace tlakového lití, odstraňování vtoků, apretace odlitků a následné obráběcí operace jsou srovnatelné. Slitiny Zn však mají lepší mechanické vlastnosti. Životnost nástrojů je u těchto materiálů také přibližně srovnatelná, stejně tak i energetické náklady na tavení.
    V tabulce je uveden příklad stejného odlitku vyrobeného z Mg slitiny a Zn slitiny - je vidět výrazná úspora, hlavně díky hmotnosti odlitku.
    Ostřih a obrábění
    Ostřih a obrábění jsou pro slitiny Mg a Zn velmi podobné. Jedinou výjimku tvoří pleny z prostřikování - u Zn slitin jsou měkčí a tenčí a při ostřihu se ohýbají, což vyžaduje další operaci.
    Pokovování
    Pokračování příště
    Ing. Aleš Herman, Ph.D.
    Ing. Barbora Stunová
    Reklama
    Vydání #10
    Kód článku: 51047
    Datum: 12. 10. 2005
    Rubrika: Inovace / Slévárenství
    Autor:
    Firmy
    Související články
    Slévárna navýší kapacitu výroby

    Uplynulý rok 2015 byl ve slévárně Kovosvitu MAS obdobím řady důležitých změn a rozhodnutí.

    Technologie pro zpracování druhotného odpadu

    Tváří v tvář současným náročným ekonomickým podmínkám závody na zpracování hliníku napříč celou Evropou hledají lepší a efektivnější způsoby, jak zpracovat druhotný kovový odpad. Z finančního hlediska je to logické, ale přináší to kromě zajímavých možností také komplikace.

    Odlitek nebo výkovek - vždy perfektně tryskaný

    Rozmanitost slévárenských a kovárenských technologií vyrábějících díly nezná mezí. U výkovků a odlitků jsou nepostradatelnými pracovními procesy odstranění okují, písku a jader a tryskání pro sjednocení povrchu. Zvláště pro tyto průmyslové účely byly vyvinuty různé koncepty tryskacích zařízení na míru – včetně automatizace.

    Související články
    Slévárna, která exportuje také na západní trhy

    Díky téměř stomilionové investici a včasné diverzifikaci výroby jsou nyní pro slévárnu Kovosvitu MAS hlavními exportními partnery Německo, Švýcarsko a Anglie.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Přesně lité odlitky ze superslitin na bázi niklu a kobaltu

    Článek se ve stručnosti zabývá historií slévárny v První brněnské strojírně ve Velké Bíteši, výrobním programem a užívanými materiály. Rovněž je uveden přehled výrobního zařízení pořízeného v rámci čtyř inovačních programů. Je zde i zmínka o úzké spolupráci s výzkumnými ústavy a vysokými školami.

    Optimalizace výroby těžkých kovářských ingotů

    Těžké kovářské ingoty jsou využívány zejména v těžkém strojírenství, např. pro výrobu zalomených klikových hřídelí pro lodní motory či speciálních dílů pro energetiku – jak pro klasickou, tak i jadernou (turbíny, výměníky, parogenerátory). Výroba těžkých kovářských ingotů je doprovázena výskytem segregací jednotlivých prvků ve struktuře oceli, které způsobují anizotropii mechanických vlastností. Ovšem v případě těchto strojírenských komponent musejí být tyto součásti prakticky bez vad, aby splnily nejnáročnější požadavky.

    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.

    Nové trendy v technologii výroby slévárenských forem

    V současné době stojíme na historickém prahu změny jednoho z fundamentů slévárenské výroby, protože technologicky jsme schopni vyrábět odlitky bez nutnosti zhotovit modelové zařízení a každý odlitek tedy vyrobit jako originál.

    Unikátní technologie 3D tisku písku

    3D tisk písku neboli sandprint je technologie, která byla vyvinuta primárně pro výrobu pískových forem pro odlévání kovů.

    Keramická jádra v technologii lití hliníkových slitin na vytavitelný model

    Používání keramických jader pro odlitky lité na vytavitelný model je běžná praxe u odlitků ze superslitin a ocelí, zvláště pak u odlitků pro náročné aplikace v leteckém a energetickém průmyslu. Tato jádra jsou vyráběna technologií vstřikolisování směsi keramických komponent a vosků do kovových forem. Jádra se následně pálí v zásypu v keramických pouzdrech. Během výpalu dochází k vyhořívání vosku a ke vzniku keramické vazby.

    Automatické formování

    V polovině šedesátých let byl na výstavě GIFA v Německu poprvé vystaven průkopnický vertikální formovací stroj, schopný vyrábět daleko více vysoce kvalitních pískových forem za hodinu než do té doby výhradně používané tradiční horizontální stroje, a to při mnohem nižší spotřebě energie a v mnohem menším prostoru. Tehdy byl položen základ stroje, který dodnes představuje vysoké průmyslové standardy v kvalitě, přesnosti, rychlosti a efektivitě nákladů.

    Dispečink na telefonu v dlani jedné ruky

    Až čtyřicet pět procent z celkových nákladů na provoz slévárny tvoří spotřebovaná energie. Řešení, které umožňuje efektivně nastavovat využití energie v reálném čase podle potřeby jednotlivých zakázek, tak uspoří deset až patnáct procent její celkové spotřeby.

    Termomechanické zpracování

    Globální svět s možností volného cestování a neomezeného přístupu k informacím s sebou přináší riziko chybných nebo nepřesných překladů odborných pojmů z jiných jazyků. Ve své praxi vysokoškolského lektora s předchozí zkušeností technologa se setkávám zejména v posledních letech se značným rozvolňováním odborných pojmů, které mohou vést až k matení odborné veřejnosti. V tomto příspěvku se pokusím stručně shrnout přehled a podstatu technologických postupů, označovaných v češtině pojmem termomechanické zpracování (TMZ, resp. TMP, z anglického thermomechanical processing, což odpovídá též pojmu thermo-mechanical treatment – TMT).

    Inovativní firma roku 2014: VÚHŽ

    Soutěž Česká inovace vyhlásila nejlepší tuzemské inovace roku 2014. Jednou ze tří společností oceněných v kategorii Inovativní firma je VÚHŽ, a. s., (původně Výzkumný ústav hutnictví železa) za digitální hladinoměr určený pro hutní provozy (kontilití), kde je pro výrobu kvalitních ocelí potřeba zajistit ustálenou výšku hladiny tekuté oceli v krystalizátoru.

    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