Kvalita lití z hliníkové slitiny je zásadně určena celistvostí taveniny. Dosažení vysoce celistvé taveniny vyžaduje přesnou kontrolu teploty, chemického složení a obsahu plynu. Primárním cílem je vyrobit čistý, homogenní tekutý kov bez oxidů, poréznosti vodíku a vměstků předtím, než vstoupí do keramického pláště.
Pro slévárenské inženýry a metalurgy je to kritické příprava taveniny představuje více než 60 % vad finálního odlitku . Správné odplynění, zjemnění zrna a přísné řízení teploty mezi nimi 700 °C a 760 °C jsou nesmlouvavé kroky. Zanedbání těchto parametrů vede ke snížení mechanických vlastností, špatné povrchové úpravě a zvýšené míře zmetkovitosti v leteckých a automobilových aplikacích.
Výběr tavicí pece a regulace teploty
Volba tavicí pece výrazně ovlivňuje čistotu hliníkové slitiny. Indukční pece jsou upřednostňovány pro vytavitelné lití kvůli jejich rychlému ohřevu a elektromagnetickému míchání, které podporuje homogenitu. Nadměrné míchání však může strhávat vzduch, což vede k tvorbě oxidů.
Optimální teploty tání
Hliníkové slitiny se obvykle taví kolem 660 °C, ale teploty lití pro vytavitelné lití musí být vyšší, aby byla zajištěna tekutost do složitých keramických forem. Ideální rozsah nalévání je 700 °C až 760 °C . Překročení 800 °C dramaticky zvyšuje rozpustnost vodíku a rychlost oxidace. S každým zvýšením o 10 °C nad 760 °C se může absorpce vodíku zvýšit o 15–20 % , což vede k vážným problémům s porézností při tuhnutí.
Materiálová kompatibilita kelímku
Standardní je použití kelímků z karbidu křemíku (SiC) nebo grafitových jílů. Tyto materiály musí být potaženy ochrannou glazurou, aby se zabránilo reakci s roztaveným hliníkem. Narušená výstelka kelímku zavádí železné a křemíkové nečistoty, které mění mechanické vlastnosti slitiny. Pravidelná kontrola a výměna kelímků každý 50-100 tavenin se doporučují pro zachování konzistence.
Techniky odplyňování a odstraňování vodíku
Vodík je jediný plyn s významnou rozpustností v roztaveném hliníku. Jak kov tuhne, vodík se vysráží a tvoří póry, které oslabují odlitek. Efektivní odplynění je proto nejkritičtějším krokem při přípravě taveniny.
Rotační odplyňování argonem/dusíkem
Průmyslovým standardem pro vysoce kvalitní odlévání je odplyňování rotačním oběžným kolem. Otáčí se grafitový rotor 300-500 ot./min při vhánění inertního plynu (argonu nebo dusíku) do taveniny. Vznikají tak jemné bublinky, které difúzí zachycují vodík. Proces obvykle trvá 10-15 minut a může snížit hladiny vodíku z 0,30 ml/100 g až pod 0,10 ml/100 g .
Pevné odplyňovací tablety
Pro menší slévárny jsou alternativou tablety na bázi hexachlorethanu. Když jsou ponořeny, uvolňují plynný chlór, který reaguje s vodíkem za vzniku plynného HCl. I když je tato metoda účinná, produkuje jedovaté výpary a zanechává zbytky solné strusky, které je třeba odsát. Je méně konzistentní než rotační odplyňování a obecně se nedoporučuje pro součásti leteckého průmyslu.
| Metoda | Účinnost | Vliv na životní prostředí | Důslednost |
|---|---|---|---|
| Rotační inertní plyn | Vysoká (>90 %) | Nízká (netoxická) | Výborně |
| Chlorové tablety | Střední (70–80 %) | Vysoká (toxické výpary) | Variabilní |
| Vakuové odplyňování | Velmi vysoká (>95 %) | žádný | Výborně |
Zjemnění a úprava zrna
Mikrostruktura ztuhlé hliníkové slitiny určuje její mechanické vlastnosti. Hrubá zrna vedou ke špatné tažnosti a zvýšené náchylnosti k trhání za tepla. Zušlechťování a modifikace zrna jsou základními metalurgickými úpravami prováděnými během fáze tavení.
Titan-borové rafinace
Přidání předslitin Al-Ti-B (typicky 5 % Ti, 1 % B) podporuje heterogenní nukleaci. Výsledkem je jemná rovnoosá struktura zrna. Standardní sazba přidávání je 0,1 až 0,2 % hmotn z celkové taveniny. Nadměrné přidávání může vést k tvorbě hrubých intermetalických látek TiAl3, které působí jako koncentrátory napětí a snižují únavovou životnost.
Modifikace stroncia pro křemíkové slitiny
U hypoeutektických slitin Al-Si (např. A356) modifikace stroncia (Sr) přemění hrubé deskovité křemíkové eutektikum na jemnou vláknitou strukturu. To výrazně zlepšuje tažnost a pevnost v tahu. Optimální koncentrace Sr je 150-200 ppm . Je důležité poznamenat, že Sr v průběhu času slábne; proto by úprava měla být provedena bezprostředně před naléváním, ideálně uvnitř 30-45 minut .
Odstraňování inkluzí a filtrace taveniny
I při pečlivém tavení zůstávají v tavenině suspendovány nekovové vměstky, jako jsou oxidy (Al2O3) a žáruvzdorné částice. Tyto vměstky působí jako iniciační místa pro trhliny a musí být před odléváním odstraněny.
Keramické pěnové filtry (CFF)
Keramické pěnové filtry jsou umístěny ve vtokovém systému nebo pánvi. Fungují prostřednictvím hloubkové filtrace a zachycují částice větší, než je jejich velikost pórů. Běžné velikosti pórů jsou 10, 20 nebo 30 PPI (póry na palec) . Filtr 10 PPI odstraňuje velké nečistoty, zatímco filtr 30 PPI zachycuje jemnější oxidy. Použití dvoustupňového filtračního systému může zlepšit čistotu až o 40 % ve srovnání s nefiltrovanými taveninami.
Sbírání a usazování
Před filtrací se ručním nebo mechanickým sbíráním odstraní velká vrstva oxidu na povrchu taveniny. Nechání taveniny usadit se 10-15 minut po odplynění umožňuje klesnout těžším inkluzím a plavat lehčí strusky, což usnadňuje jejich odstranění. Uspěchání tohoto kroku často vede k turbulentnímu lití, které znovu strhává oxidy do proudu kapaliny.
Závěrem lze říci, že výroba vysoce kvalitních odlitků z hliníkové slitiny vyžaduje disciplinovaný přístup k řízení taveniny. Řízením teploty, účinným odplyňováním, zjemňováním struktury zrna a filtrováním vměstků mohou výrobci zajistit vynikající mechanické vlastnosti a minimální míru defektů.
