Kvalita roztaveného hliníku: odplyňování, filtrace a oxidy
Tlakový licí stroj může odlévat pouze to, co mu dodá tavírna. Rozpuštěný vodík, oxidové vrstvy a další vměstky se s kovem dostávají do vstřikovacího pouzdra a nakonec se ocitnou v odlitku. Čistá, správně upravená tavenina je proto nezbytným předpokladem pro nízkou míru zmetkovitosti, těsnost výlisků a spolehlivé obrábění, tepelné zpracování či svařování.
Co určuje kvalitu hliníkové taveniny?
Hrají zde hlavní roli tři faktory: rozpuštěný vodík, který může při tuhnutí vytvářet plynové póry; oxidy a vměstky, které oslabují odlitek a narušují toku; a regulace teploty, která ovlivňuje obojí. Odplyňování pomocí inertního plynu snižuje obsah vodíku, filtrace zadržuje oxidy a částice a pečlivá manipulace zabraňuje nové kontaminaci.
Kvalitu taveniny je třeba měřit, nikoli předpokládat. Jednoduché testy přímo ve výrobě odhalí případné změny ještě předtím, než se projeví jako zmetky.
Vodík: Neviditelná nečistota
Vodík je jediný plyn, který se v roztaveném hliníku rozpouští ve znatelném množství. Jeho rozpustnost je v kapalném stavu mnohem vyšší než v pevném kovu a s rostoucí teplotou se zvyšuje. Během tuhnutí se přebytečný vodík uvolňuje a může vytvářet póry.
Hlavním zdrojem je vlhkost. Vodní pára reaguje s roztaveným hliníkem, vytváří oxid a uvolňuje vodík do taveniny. Vlhkost pochází z vlhkého vzduchu, vlhkého nebo znečištěného vstupního materiálu, nedostatečně vysušených nástrojů, panvic a žáruvzdorných vyzdívek a ze spalin v pecích vytápěných palivem.
Při vysokotlakém lití je velká část pórovitosti způsobena zachyceným vzduchem a smrštěním při tuhnutí spíše než vodíkem. Rozpuštěný plyn stále hraje důležitou roli, zejména u dílů, které jsou tepelně zpracovávány, svařovány nebo musí být tlakově těsné, kde mohou malé plynové póry způsobit tvorbu puchýřků nebo úniky.
Oxidy, struska a další vměstky
Roztavený hliník je okamžitě pokryt tenkou vrstvou oxidu. Dokud zůstává na povrchu, je neškodná. Pokud dojde k narušení povrchu v důsledku turbulentního lití, velké výšky pádu nebo míchání, jsou oxidové vrstvy vtlačeny do taveniny. Tyto vrstvy mohou působit jako trhliny v odlitku a jako jádra pro vznik pórů.
| Nečistota | Typický zdroj | Opatření |
|---|---|---|
| Rozpuštěný vodík | Vlhkost ze vzduchu, vsázky, nástrojů, žáruvzdorných materiálů, spalování | Vysušení vsázky a nástrojů, odplynění inertním plynem, regulace teploty |
| Oxidové vrstvy | Turbulentní přenos, velká výška pádu, oxidované zpětné toky | Klidný přenos, malé výšky pádu, odskimování, filtrace |
| Částice žáruvzdorných materiálů | Opotřebované nebo poškozené vyzdívky pecí a pánví | Údržba vyzdívky, filtrace |
| Kal (intermetalické fáze) | Vysoký obsah železa, manganu a chromu v kombinaci s nízkou teplotou držení | Kontrola složení slitiny, teplota držení přizpůsobená dané slitině, pravidelné čištění pece |
U kalů se jako indikátor často používá empirický faktor kalů: Fe + 2 × Mn + 3 × Cr, vždy v hmotnostních procentech. Kritická hodnota závisí na teplotě výdrže a měla by být dohodnuta s dodavatelem slitiny.
Odplyňování: Odstraňování vodíku inertním plynem
Nejběžnější metodou v hliníkových slévárnách je rotační odplyňování. Rotující grafitové kolo rozptyluje inertní plyn, obvykle argon nebo dusík, na jemné bublinky. Vodík difunduje z taveniny do bublin a spolu s nimi stoupá k povrchu. Stoupající bubliny také vynášejí oxidy nahoru, kde je lze odstraňovat spolu s struskou.
Příprava
Předehřejte rotor a hřídel, zkontrolujte opotřebení rotoru a nastavte taveninu na teplotu zpracování.
Zpracování
Nastavte definovaný průtok plynu, otáčky rotoru a dobu trvání; vyhněte se vzniku víru, který by vtahoval oxidy do taveniny.
Odstranění strusky a kontrola
Opatrně odstraňte strusku a výsledek ověřte zkouškou kvality taveniny.
Okamžité použití
Ošetřená tavenina může v průběhu času znovu absorbovat vodík, zejména ve vlhkém prostředí.
Místo, kde se odplyňování provádí, závisí na uspořádání tavírny: v přenosové panvi, v samostatné úpravárně nebo v peci. Úlohy různých typů pecí jsou vysvětleny v našem článku Dávkovací, tavicí nebo udržovací pec?
Filtrace: Zachycování oxidů a částic
Filtry mechanicky zadržují oxidové vrstvy a pevné částice. Keramické pěnové filtry, klasifikované podle velikosti pórů, se široce používají v odtokových žlabech, na výstupech pecí nebo v dávkovacích pecích. Jemnější filtr zadržuje menší vměstky, ale má větší odpor proti proudění a rychleji se ucpává, proto musí být výběr filtru přizpůsoben průtoku a intervalům výměny.
Filtrace neodstraňuje rozpuštěný vodík a samotné odplyňování neodstraní všechny vměstky. Tyto dva postupy se vzájemně doplňují. Oba jsou účinné pouze tehdy, pokud nedojde k následné kontaminaci kovu, například při turbulentním nalévání do licí rukávu. Vliv podmínek plnění na pórovitost je popsán v našem článku o plnění formy a vakuu.
Jak se testuje kvalita taveniny
Zkouška při sníženém tlaku
Jeden vzorek tuhne při atmosférickém tlaku, druhý v definovaném vakuu. Plyn a oxidy způsobují, že vzorek ve vakuu vytváří více pórů, a má proto nižší hustotu. Index hustoty porovnává obě hodnoty.
Zkoušky na vměstky
Zkoušky lomu na jednoduchých vzorcích odhalí vrstvy oxidů na povrchu lomu. Pro podrobnější analýzu se pomocí laboratorních metod kvantifikují vměstky ve filtrovaném kovovém vzorku.
Index hustoty [%] = (ρatm −ρvac) /ρatm × 100
ρatm = hustota vzorku ztuhnutého při atmosférickém tlaku,ρvac = hustota vzorku ztuhnutého při sníženém tlaku, obě v g/cm³. Výsledky jsou srovnatelné pouze při stejné velikosti vzorku, tlaku a postupu.
Kontrolní seznam kvality taveniny pro každodenní provoz
- Vstupní materiál a vrácené suroviny musí být suché, čisté a skladované pod krytem
- Pánve, nástroje a odkalovače musí být před kontaktem s taveninou potaženy a předehřáty
- Vyšetřit výmuzky pece a pánví, zda nejsou poškozené a zda se na nich nevytvořily usazeniny
- Teplota taveniny v rámci stanoveného rozmezí pro danou slitinu a proces
- Parametry odplyňování zdokumentovány a stav rotoru zkontrolován
- Struska se opatrně odstraňuje, aniž by se oxidy zamíchaly zpět do taveniny
- Filtry jsou vybírány podle průtoku a vyměňovány v definovaných intervalech
- Přeprava a odlévání s nízkou turbulencí a malými výškami pádu
- Pravidelně se provádí a zaznamenává index hustoty nebo srovnatelná zkouška
Často kladené otázky
Je při vysokotlakém lití nezbytné odplyňování?
Záleží na požadavcích na díl. U dílů, které procházejí tepelným zpracováním, jsou svařovány nebo musí být tlakově těsné, je obecně důležitý kontrolovaný obsah vodíku a čistá tavenina. Požadovaná úroveň by měla být definována pro každý konkrétní výrobek.
Nahrazuje filtrace odplyňování?
Ne. Filtry zadržují pevné vměstky a oxidové vrstvy, ale neodstraňují rozpuštěný vodík. Odplyňování a filtrace řeší různé problémy.
Proč se kvalita taveniny mění v závislosti na počasí?
Vlhkost je zdrojem vodíku. Ve vlhkých dnech může tavenina přijímat více vodíku při kontaktu se vzduchem, nástroji a materiály, a proto je užitečné provádět pravidelné testování.
Zlepšuje vyšší teplota taveniny kvalitu?
Ne automaticky. Vyšší teploty zvyšují rozpustnost vodíku a oxidaci. Teplota by měla být tak vysoká, jak to proces vyžaduje, ale ne vyšší.
Společnost FISS nabízí použité tavicí, udržovací a dávkovací pece.
Stálá kvalita taveniny začíná vhodnou technologií pecí. Společnost FISS nabízí použité pece pro slévárny a tlakové lití a může vám pomoci posoudit, které zařízení je vhodné pro vaši slitinu, výkon a uspořádání linky.
