Leonhard Heusler
Roční přehledy Annual overviews
Odlitky z lehkých kovů odlévané do pískových a do kovových forem 1. část: hliník – základy nauky o materiálu, materiály a jejich vlastnosti
RO ČN Í PŘ EH L EDY
Leonhard Heusler
Odlitky pro motory Na toto referované období připadla znovu Magdeburská odborná konference VDI s mottem „Odlitky ve výrobě motorů“, konaná každé dva roky, ze které budou následně citovány některé přednášky. Soutěžení mezi hliníkem a litinou objasňují S. Riedel, R. Viets a B. Lao [1]. Ve své přednášce podávající přehled na téma hliník versus litina – materiálová konkurence ve výrobě bloku motoru. Příklad náhrady litiny hliníkem uvádějí R. Rösch, T. Koch a A. Kuhlmann [2] při představování nového hliníkového bloku motoru pro naftový motor 1,4 l VW. Blok motoru byl vyroben sklopným litím s paketem jader ze směsi s anorganickým pojivem. Vedle průběhu výrobního procesu popisují především výrobu a manipulaci s těmito jádry ve spojitosti se sklopným litím. Náhrada litiny hliníkem vedla ke snížení hmotnosti z 29 na 17 kg. H. Smetan [3] vysvětluje materiálové a technologické aspekty zvyšování výkonu u hlav válců. Je představen optimalizovaný postup sklopného lití, při kterém probíhá plnění formy bez turbulencí přes připojenou vanu a následné tuhnutí v autoklávu. B. Stauder aj. [4] zjišťují vliv slitiny a tepelného zpracování na termomechanické vlastnosti hlav válců. Ze základní zkušební kovové hmoty, která se musí ještě dopracovat, byly vybrány dvě kombinace tepelného zpracování: slitina AlSi6Cu4-T7 a AlSi7MgCu0,5-T6 s ochlazováním na vzduchu. V současnosti se diskutuje také o zirkoniu jako o legovací a zjemňovací přísadě, aby se zvýšila žáruvzdornost hlav válců.
190
A. Barth [5] představuje hlavy válců pro motory s vysokým výkonem ze slitiny AC-AlSi7MgZr-T7 a AlSi10Mg(Cu)Zr-T7. V těchto slitinách se snížil jinak obvyklý obsah Ti a kompenzoval se příslušně vyššími přísadami Zr. Zirkonium se zde postará o lepší zjemnění zrna a mimoto o vyšší tepelnou vodivost, protože se zirkonium, na rozdíl od nahrazeného Ti, vyskytuje ve formě odmíšených intermetalických fází, a tím méně snižuje vodivost. Přísadou Zr se výrazně zvýší žáruvzdornost zvláště v silně přestárlém stavu. Tak lze bez přilegování Cu i se slitinou AlSi7MgZr docílit podobné hodnoty žáruvzdornosti jako u slitiny AlSi10Mg(Cu)Zr. Opakovaně se zkoušelo použití slitin AlCu bez Si pro výrobu hlav válců, což se však doposud kvůli špatné slévatelnosti těchto slitin omezilo většinou jen na zkoušky, resp. na malé série motorů s vysokým výkonem. L. Kniewallner aj. [6] se znovu postavili této výzvě a vyvinuli slitinu s vysokým výkonem na bázi AlCu typu AlCu7MnZr určenou pro hlavy válců. Mechanické vlastnosti této slitiny při teplotě 200 °C výrazně převyšují vlastnosti původních slitin na výrobu hlav válců (obr. 1). Podobnými slitinami se zabývají R. F. Fernandez, G. Requena a B. Stauder [7] ve své práci o 3D charakteristice slitin AlCu5Mg0,3Mn0,3 (podobná B206) a AlCu7Mn0,4. Pro kvantitativní 3D zkoumání struktury v litém stavu a po různé době rozpouštěcího žíhání použili synchrotronní tomografii. Další možnost, jak zvýšit výkonnost hlav válců, spočívá v tom, že se oblasti vystavené obzvláštnímu namáhání teplem chrání před horkými spalovacími plyny povrchovým ochranným povlakem. R. Gosch aj. [8] představují takové řešení tepelně izolovaných plynových kanálů v hlavách válců, které by zlepšilo chování motoru. Jako izolace se použila vrstva smaltu o tloušťce 200 mm nanesená na první centimetry výfukových kanálů, která se ukázala jako velmi odolná vůči změně teploty a nezpůsobovala ani problémy při mechanickém obrábění. Je nezbytná předběžná úprava povrchu; k vypalování emailové vrstvy dochází krátce před teplotou rozpouštěcího žíhání a ochlazování ve vodě se nedoporučuje, protože to může vést ke vzniku trhlin v emailu. Tímto způsobem se docílilo velmi dobré spojení se základním materiálem a značně se snížila tepelná vodivost (obr. 2). Při výrobě hliníkových bloků motoru se z důvodů hmotnosti stále více upouští
S l é vá re ns t v í . L X I V . k v ě te n – č e r v e n 2016 . 5 – 6
od použití litinových vložek a místo toho se kluzné plochy válců opatřují vrstvou odolnou opotřebení navařovanou přímo obloukovým nástřikem z drátu. Aktivační systémy, resp. přípravu upravovaného povrchu popisují W. Wagener a P. Woisetschläger [9]. Základnímu problému dostupnosti při nanášení stříkaných vrstev na kluzné plochy válců se lze vyhnout, pokud se vrstvy zalévají jako předem vyrobené vložky. Doposud to byly zpravidla tlustostěnné a tím těžké litinové vložky. M. Aumiller, M. Buchmann a V. Scherer [10] naproti tomu představují stříkané vložky válců z Fe-Al s optimalizovaným přestupem tepla. U těchto tzv. „sprayfit“ vložek válců se nejdříve obloukovým nástřikem z drátu vyrobí tenkostěnný válec z uhlíkové oceli s tloušťkou stěny jen 0,4 až 0,6 mm, který se pak zvenku opatří stejným postupem hliníkovým povlakem (0,4 až 0,7 mm), takže při zalévání této vložky dojde k dobrému napojení na hliníkovou slitinu. Výsledkem je tak kromě značně nižší hmotnosti ve srovnání s litinovými vložkami mnohem lepší soudržnost vrstvy se základním materiálem a podstatně zlepšený odvod tepla a tím i snížení teploty kluzné plochy. Vliv struktury Výskyt intermetalických fází způsobuje zhoršení mechanických vlastností obzvláště u slitin druhého tavení. Předpokladem ovlivňování těchto fází jsou přesné znalosti vzhledu jejich výskytu a chemického složení. Na toto téma předkládají E. Samuel aj. [11] hodnotný příspěvek v tom, že co nejpřesněji dokumentují a analyzují intermetalické fáze slitin AlSi, do kterých byly přidány Fe, Mg, Mn, Cr, Sr a P. Ke zjištění složení intermetalických fází (α, β, δ, π, Mg2Si, Al2Cu, Q, Al4SrSi2) použili mikrosondu a pro v yhodnocení vlnov ých délek disperzivní spektra (EDX-WDS) a jejich tvoření dokumentovali příslušnými snímky struktury. Stejným směrem jde práce M. Warmuzeka [12] o analýze chemického složení fází AlMnFe a AlFeMnSi v mezidedritickém eutektiku slitin hliníku. Při výrobě odlitků z nadeutektických slitin hliníku se zpravidla zkouší zjemnit primární křemík, čehož se obvykle dosáhne přidáním fosforu. S tím je však bohužel spojena také změna morfologie následně tuhnoucího eutektika AlSi. L. Pei, W. Aigin a X. Jingpei [13] navrhují pro zpracování slitiny AlSi21 kombinovanou přísadu fosforu a ceru, která má zjemnit jak primární, tak eu-