CZ306352B6

CZ306352B6 - Hliníková slitina, zejména pro výrobu odlitků segmentů forem pro lisování pneumatik, a způsob tepelného zpracování odlitků segmentů forem

Info

Publication number: CZ306352B6
Application number: CZ2015-521A
Authority: CZ
Inventors: Ĺ tefan Michna; JaromĂr Cais
Original assignee: Univerzita J. E. Purkyně V Ústí Nad Labem
Priority date: 2015-07-28
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2016-12-14
Also published as: CZ2015521A3; EP3124632B1; EP3124632A1

Abstract

Předmětná hliníková slitina obsahuje 85,55 až 89,00 % hmotn. Al; 8,5 až 10,00 % hmotn. Si; 0,6 až 1,2 % hmotn. Cu; 0,6 až 1,0 % hmotn. Ni; 0,4 až 0,8 % hmotn. Mn; 0,03 až 0,05 % hmotn. Sr; max. 0,4 % hmotn. Mg; max. 0,6 % hmotn. Fe; max. 0,1 % hmotn. Ti; max. 0,1 % hmotn. Zn a max. 0,05 % hmotn. ostatních přísad jednotlivě, přičemž ostatních přísad celkem je max. 0,15 % hmotn. Dalším předmětem vynálezu je způsob tepelného zpracování odlitků segmentů forem z této slitiny, při kterém jsou odlitky segmentů forem ohřáty na žíhací teplotu 520 .degree.C a žíhány po dobu 0,5 až 8 hod., následně jsou ochlazeny ve vodě o teplotě 50 až 60 .degree.C a poté vystaveny stárnutí při teplotě 170 .degree.C po dobu 6 až 8 hod.

Description

Hliníková slitina, zejména pro výrobu odlitků segmentů forem pro lisování pneumatik, a způsob tepelného zpracování odlitků segmentů forem

Oblast techniky

Předložený vynález se týká nově vyvinuté hliníkové slitiny s obsahem dalších legujících prvků, zejména pro výrobu odlitků segmentů forem pro lisování pneumatik motorových vozidel v automobilovém průmyslu.

Dosavadní stav techniky

V současné době se pro výrobu kovových forem, které jsou určeny pro výrobu pneumatik, používají hliníkové slitiny typu Al - Mg a Al - Si. Samotná forma je složena z 8 až 36 segmentů v závislosti na rozměrech vyráběné pneumatiky. Samotná funkční plocha formy je do požadovaného tvaru a rozměrů obrobena prostřednictvím frézování, soustružení a vrtání. Funkční plocha formy je následně ošetřena povlakem z nanovrstev z důvodu prodloužení času bez nutnosti čištění této plochy a prodloužení životnosti formy.

Proces odlévání segmentů je prováděn technologií nízkotlakého lití, přičemž tavenina je po celou dobu lití udržována na licí teplotě v udržovací peci. Čas mezi prvním a posledním litím je cca 4 hodiny, tento fakt s sebou přináší požadavek na časovou stabilitu taveniny slitiny.

Samotné pneumatiky jsou vyráběny vulkanizací směsi organických látek za vyšších teplot 150 až 170 °C, také až při 220 °C. Právě díky pracovní teplotě formy je na slitinu formy kladen požadavek na stálost mechanických vlastností za normální i zvýšené teploty.

Značnou nevýhodou známých hliníkových slitin je, že jejich mechanické vlastnosti nad teplotami 100 °C velmi výrazně klesají. Cestou ke zvýšení mechanických vlastností je jejich legování vhodnými prvky v kombinaci s tepelným zpracováním o optimálních parametrech.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny hliníkovou slitinou, zejména pro výrobu odlitků segmentů forem pro lisování pneumatik motorových vozidel v automobilovém průmyslu, podle tohoto vynálezu, jejíž podstata spočívá v tom, že slitina obsahuje 85,55 až 89,00 % hmotn. Al; 8,5 až 10,00 % hmotn. Si; 0,6 až 1,2 % hmotn. Cu; 0,6 až 1,0 % hmotn. Ni; 0,4 až 0,8 % hmotn. Mn; 0,03 až 0,05 % hmotn. Sr; max. 0,4 % hmotn. Mg; max. 0,6 % hmotn. Fe; max. 0,1 % hmotn. Ti; max. 0,1 % hmotn. Zn a max. 0,05 % hmotn. ostatních přísad jednotlivě, přičemž ostatních přísad celkem je max. 0,15 % hmotn.

Dalším předmětem vynálezu je způsob tepelného zpracování odlitků segmentů forem, při kterém jsou odlitky segmentů forem ohřátý na žíhací teplotu 520 °C a žíhány po dobu 0,5 až 8 hod., následně jsou ochlazeny ve vodě o teplotě 50 až 60 °C a poté vystaveny stárnutí při teplotě 170 °C po dobu 6 až 8 hod.

Tento vynález zavádí do technologie výroby forem vyrobených technologií nízkotlakého lití nově vyvinutou hliníkovou slitinu, která díky navrženému procesu tepelného zpracování zajišťuje stálost mechanických vlastností i za zvýšených teplot. Vynalezené chemické složení slitiny v kombinaci s tepelným zpracováním má za následek zvýšení meze pevnosti oproti v současnosti používaným slitinám typu Al - Si - za teploty 20 °C o 26 %, za teploty 170 °C o 30 % a oproti slitinám typu Al - Mg - za teploty 20 °C o 49 % a za teploty 170 °C o 59 %.

- 1 CZ 306352 B6

Podstatou vynálezu je návrh chemického složení nově vyvinuté slitiny typu AI - Si - Cu, které díky optimálnímu obsahu vhodných legujících prvků společně s navrženým procesem tepelného zpracování zaručuje vysoké mechanické vlastnosti slitiny za normálních i zvýšených teplot. Nová slitina AISilOCuNiMnSr s chemickým složením dle tohoto vynálezu má vysoké mechanické vlastnosti při normálních i zvýšených teplotách do 250 °C.

Vynález byl vyvinut s cílem aplikace nové slitiny na odlitky segmentů forem pro výrobu pneumatik s požadavkem na stálost mechanických vlastností i ze zvýšených teplot. Dalším požadavkem byla stálost mechanických vlastností odlitků odlitých na začátku a na konci lití.

Na základě znalostí vlivu jednotlivých legujících prvků na mechanické vlastnosti Al-Si slitin byla vynalezená slitina legovaná následujícími prvky. Křemík - hlavní legující prvek, výrazně ovlivňuje slévárenské vlastnosti - zabíhavost, společně s přídavkem Mg vytváří intermetalickou fází Mg₂Si umožňující vytvrzování slitiny. Měď - legována za účelem zvýšení pevnostních vlastností vytvrzováním díky vzniku intermetalické fáze CuA1₂ Nikl - legován za účelem zvýšení pevnostních vlastností za vyšších teplot a to vytvořením vytvrzovací fáze Al₆Cu₃Ni , snížení koeficientu teplotní roztažnosti a odolnosti vůči korozi. Mangan - účelem legování je zvýšení pevnostních vlastností, zvýšení teploty rekrystalizace, zjemnění zrna, potlačení negativního účinku vyloučení železa v destičkovitém tvaru a vytvoření intermetalické fáze α-AlFeMnSi. Stroncium - aplikován za účelem modifikace vyloučených částic eutektického křemíku. Eliminace Mg ve slitině.

Objasnění výkresů

Hliníková slitina, zejména pro výrobu odlitků segmentů forem pro lisování pneumatik motorových vozidel v automobilovém průmyslu a způsob tepelného zpracování těchto odlitků bude podrobněji popsán na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiložených výkresů, kde: na obr. 1 je znázorněna mikrostruktura vynalezené slitiny; obr. 2 zachycuje intermetalické fáze aAlFeMnSi; na obr. 3 je znázorněno místo bodové EDS analýzy; na obr. 4 je polykomponentní intermetalická fáze se zvýšeným obsahem Ni; na obr. 5 je chemické spektrum detekovaných prvků polykomponentní intermetalické fáze se zvýšeným obsahem Ni.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příkladná hliníková slitina pro výrobu odlitků segmentů forem pro lisování pneumatik motorových vozidel v automobilovém průmyslu obsahuje 85,55 až 89,00 % hmotn. AI, 8,5 až 10,00 % hmotn. Si, 0,6 až 1,2 % hmotn. Cu, 0,6 až 1,0 % hmotn. Ni, 0,4 až 0,8 % hmotn. Mn, 0,03 až 0,05 % hmotn. Sr, max. 0,4 % hmotn. Mg, max. 0,6 % hmotn. Fe, max. 0,1 % hmotn. Ti, max. 0,1 % hmotn. Zn a max. 0,05 % hmotn. ostatních přísad jednotlivě, přičemž ostatních přísad celkem je max. 0,15 % hmotn. Slitina je modifikovaná bez očkování TiB.

Pro zvýšení mechanických vlastností je nutné odlitky z vynalezené slitiny tepelně zpracovat. Proces tepelného zpracování se skládá z procesu rozpouštěcího žíhání při teplotě 520 °C, přičemž odlitky jsou do pece vloženy při teplotě okolí a společně se pracovním prostorem pece nabíhají na žíhací teplotu. Doba výdrže na teplotě žíhání je závislá na tloušťce stěny odlitku. Následuje zachlazení do vody o teplotě 50 až 60 °C, v závislosti na rozměrech a tvaru odlitku. Posledním krokem v procesu tepelného zpracování je umělé stárnutí při teplotě 170 °C, čas trvání této operace je opět závislý na rozměrech odlitku. Všechny parametry jednotlivých kroků jsou shrnuty v Tab. 1.

-2CZ 306352 B6

Tab. 1 Parametry tepelného zpracování vynalezené slitiny

Proces	Parametry	Poznámka
Rozpouštěcí žíhání	520 °C/ 0,5 až 8 h	dle tloušťky stěny odlitku (do 12 mm 45 min.; 100 mm 6 až 8 h)
Zchlazení do vody	50 až 60 °C	dle tloušťky stěny a tvaru odlitku
Umělé stárnutí	170 °C / 6 až 8 h	dle tloušťky stěny odlitku

Vynalezená slitina byla podrobena zkoušení mechanických vlastností prostřednictvím statické zkoušky tahem a měření tvrdosti podle Brinella na vzorcích vytvořených ze segmentů forem jak po tepelném zpracování, tak v tepelně nezpracovaném stavu.

Průměrné hodnoty mez pevnosti a tažnost vynalezené slitiny v tepelně nezpracovaném stavu a po tepelném zpracování zjištěné prostřednictvím statické zkoušky tahem jsou zaznamenány v Tab. 2. Statická zkouška probíhala při teplotě 20 °C. Při porovnání naměřených hodnot je pozorovatelný nárůst meze pevnosti o 80 % a tažnosti o 21 % způsobený procesem tepelného zpracování.

Tab. 2 Mechanické vlastnosti vynalezené slitiny před a po tepelném zpracování

Stav vzorků	R_ra[MPa]	A f%]
Vzorky v tepelně nezpracovaném stavu	143,5	4,8
Vzorky po tepelném zpracování	258,3	5,8

Další krokem v procesu zjišťování mechanických vlastností, tj. meze pevnosti a tažnosti, vynalezené slitiny byla statická zkouška tahem za různých teplot. Pro zkoušení byly zvoleny teploty 20, 170 - pracovní teplota forem a 250 °C. Zkoušené vzorky byly po tepelném zpracování. Výsledky statické zkoušky tahem - průměrné hodnoty, za různých teplot jsou zaznamenány v Tab. 3. Při porovnání meze pevnosti vynalezené slitiny při jednotlivých teplotách zkoušení není patrný výrazný rozdíl. Vlivem zvýšené teploty u zkoušky realizované při teplotě 250 °C došlo ke zvýšení tažnosti materiálu o 37 % oproti zkoušce realizované při teplotě 20 °C.

Tab. 3 Mechanické vlastnosti vynalezené slitiny za různých teplot

Teplota f°C]	R_m\|MPa]	A f%]
20	291,8	5,4
170	290,5	5,8
250	299,5	7,4

Další ze zkoušek zaměřených na zkoumání mechanických vlastností vynalezené slitiny byla zkouška tvrdosti podle Brinella, přičemž zkoušce byly podrobeny vzorky v tepelně nezpracovaném stavu a po tepelném zpracování. Zkouška probíhala při teplotě 20 °C. Průměrné hodnoty tvrdosti podle Brinella jsou zaznamenány v Tab. 4. Při porovnání hodnot je patrné, že proces tepelného zpracování způsobil zvýšení tvrdosti vynalezené slitiny o 90 %

Tab. 4 Tvrdost slitiny podle Brinella před a po tepelném zpracování

Stav vzorků	Tvrdost podle Brinella \|HB_1U]
Vzorky v tepelně nezpracovaném stavu	76,3
Vzorky po tepelném zpracování	144,8

-3 CZ 306352 B6

Obr. 1 zachycuje mikrostrukturu vynalezené slitiny. Taje tvořena dendritickými buňkami a-fáze a dále eutektikem tvořeným částicemi vyloučeného eutektického křemíku a přídavku stroncia do taveniny jako modifikátoru. Obr. 2 zachycuje snímek intermetalické fáze α-AlFeMnSi pořízený prostřednictvím skenovacího elektronového mikroskopu. Následně byla na této fázi provedena bodová EDS analýza. Bod, z něhož byla provedena, je vyznačen na Obr. 3.

Následná kvantifikace obsahu jednotlivých prvků je zaznamenána v Tab. 5.

Tab. 5. Kvantifikace výsledků bodové EDS analýzy intermetalické fáze a-AlFeMnSi

Element	Series	Unn. [wt. %]	C norm, [wt. %]	C Atom, [at. %]	C error (3sigma) [wt. %]
Aluminium	K-series	50.78	59.38	71.53	7.73
Silicon	K-series	6.95	8.13	9.41	1.06
Manganese	K-series	14.00	16.38	9.69	1.19
Iron	K-series	13.78	16.11	9.38	1.16
	Total:	85.51	100	100

Díky přídavku niklu do vynalezené slitiny došlo k vytvoření polykomponentní intermetalické fáze se zvýšeným obsahem tohoto prvku - Obr. 4.

Na rozpoznané intermetalické fázi byla pro určení jejího chemického složení provedena bodová EDS analýza. Bod, z něhož byla analýza realizována, je vyznačen na obr. 5. Jedná se o intermetalickou fází Al₆Cu₃Ni.

Tab. 6 Kvantifikace výsledků bodové EDS analýzy polykomponentní intermetalická fáze se zvýšeným obsahem Ni.

Element	Series	Unn. [wt. %]	C norm, [wt. %]	C Atom, [at. %]	C error (3sigma) [wt. %]
Manganese	K-series	0.95	0.99	0.59	0.18
Aluminium	K-series	58.39	61.15	74.04	8.88
Iron	K-series	4.82	5.05	2.95	0.48
Silicon	K-series	4.92	5.15	5.99	0.79
Nickel	K-series	20.56	21.53	11.6	1.65
Copper	K-series	4.38	4.59	2.36	0.46
Magnesium	K-series	1.48	1.55	2.08	0.38
	Total:	95.49	100.00	100.00

Průmyslová využitelnost

Hliníková slitina podle tohoto vynálezu nalezne uplatnění zejména při výrobě odlitků segmentů forem pro lisování pneumatik motorových vozidel v automobilovém průmyslu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Hliníková slitina, zejména pro výrobu odlitků segmentů forem pro lisování pneumatik motorových vozidel v automobilovém průmyslu, vyznačující se tím, že obsahuje 85,55 až 89,00 % hmotn. Al; 8,5 až 10,00 % hmotn. Si; 0,6 až 1,2 % hmotn. Cu; 0,6 až 1,0 % hmotn. Ni; 0,4 až 0,8 % hmotn. Mn; 0,03 až 0,05 % hmotn. Sr; max. 0,4 % hmotn. Mg; max. 0,6 % hmotn. Fe; max. 0,1 % hmotn. Ti; max. 0,1 % hmotn. Zn a max. 0,05 % hmotn. ostatních přísad jednotlivě, přičemž ostatních přísad celkem je max. 0,15 % hmotn.
2. Způsob tepelného zpracování odlitků segmentů forem z hliníkové slitiny podle nároku 1, vyznačující se tím, že odlitky segmentů forem jsou ohřátý na žíhací teplotu 520 °C a žíhány po dobu 0,5 až 8 hod., následně jsou ochlazeny ve vodě o teplotě 50 až 60 °C a poté vystaveny stárnutí při teplotě 170 °C po dobu 6 až 8 hod.