Slévárenství

Požadavky na výrobu odlitků ohledně kvality, cenové struktury, spolehlivosti a tvarové rozmanistosti neustále rostou. Fraunhofer IKTS vyvíjí vyspělé keramické materiály, které rozhodujícím způsobem přispívají ke splnění těchto vysokých nároků. Kromě toho disponuje Fraunhofer IKTS kompetencemi pro vývoj a implementaci testovacích systémů dle specifických požadavků zákazníka. Díky tomu je možné realizovat řešení pro vysoce výkonné materiály a provádět spolehlivou kontrolu výroby a kvality.

Odolnost vůči vysokým teplotám a ochrana proti opotřebení#

 

Vysoce výkonné keramické materiály jsou neobyčejně odolné vůči teplotě, opotřebení a korozi. Proto se výborně hodí pro řadu aplikací ve slévárenské technice. Fraunhofer IKTS disponuje rozsáhlými znalostmi a dlouholetými zkušenostmi v oblasti dimenzování, výroby a integrace keramických dílů.

Keramické ochranné destičky pro dlouhodobě stabilní stahovače strusky#

© Fraunhofer IKTS
Koroziodolná škrabka na strusku s ochrannými destičkami z nitridu křemičitého.

Moderní slévárenská zařízení se vyznačují vyšší energetickou efektivitou, lepšími řídícími a regulačními mechanismy a spolehlivými komponenty. Slabším článkem dosavadních slévárenských zařízení jsou takzvané stahovače strusky. Ty se používají k odstranění zbytků strusky, stažení oxidů z povrchu tavenin a k hrubému čištění tavicí pece po jejím vyprázdnění. Tyto stahovače se vyrábějí z oceli a musí odolávat jak korozi, kterou způsobuje kontakt s taveninou, tak intenzivnímu mechanickému zatížení, ke kterému dochází během čištícího procesu. Obzvlášť zatížení korozí při zpracovávání slévárenské slitiny vede k výraznému opotřebení, má za následek jejich častou výměnu.

Za účelem prodloužení životnosti a snížení nákladů na údržbu stahovačů strusky vyvinul Fraunhofer IKTS ve spolupráci s Rackwitz Industrieanlagen GmbH keramické ochranné destičky, kterými je obložen kovový povrch těchto nástrojů. Na základě výtečných mechanických vlastností a korozní odolnosti byl vybrán keramický materiál nitrid křemíku, který byl cíleně modifikován pro použití v hliníkových taveninách a následně hodnocen. Nový materiál vykazuje vysokou lomovou houževnatost a pevnost i při teplotách nad 800 °C. Výzkumy k interakci mezi hliníkem a keramikou ukázaly, že na povrchu keramiky nedochází k žádnému poškození. Hliníková tavenina navíc po ztuhnutí na keramice téměř neulpívá a případné zbytky lze lehce odstranit.

Kromě toho byl na Fraunhofer IKTS vyvinut koncept pro upevnění keramických ochranných destiček ke stahovači. Tento koncept spoje je navržen tak, že rozdíly v tepelné roztažnosti materiálů nevedou ke vzniku potenciálně škodlivých tahových pnutí v keramice. Lepený spoj navzájem propojuje jednotlivé keramické destičky mezi sebou a vede tak k stabilní fixaci na stahovači. Toto spojení dále zabraňuje proniknutí hliníkové taveniny za destičky. Použité lepidlo, které má jen omezenou přilnavost ke kovu, umožňuje snadné manuální oddělení jednotlivých destiček pomocí kladiva a tak i jejich jednoduchou výměnu v případě lokálního poškození.

Bezdotykové tavení v porézních keramických kelímcích#

© Fraunhofer IKTS
Hliníková tavenina na plynovém polštáři tvořeném dusíkem, teplota kelímku cca 900 °C.

Při tavení reaktivních, korozivních nebo ryzích kovů jsou reakce s povrchem tavicího kelímku nežádoucí, protože vedou ke znečištění kovů. Aby k těmto reakcím nedocházelo, vyvinuli vědci na Fraunhofer IKTS bezkontaktní metodu na bázi porézního karbidu křemíku. Pomocí této keramiky lze docílit dvou funkcí. První z nich je vznik plynového polštáře, který mezi taveninou a stěnou keramického kelímku vytváří plyn pronikající skrz keramiku, čímž je zamezeno přímému kontaktu kovu s povrchem kelímku. Druhou funkcí je zahřátí kovu pomocí přímého elektrického ohřevu keramiky a procházejícího plynu. Teploty a různá plynná prostředí lze přitom precizně nastavit.

Nízkonákladové zirkonoxidové filtry pro čištění tavenin#

© Fraunhofer IKTS
Pěnové keramické díly z různých druhů keramických materiálů.

Doposud nejrozšířenějsí oblastí aplikace pěnové keramiky je filtrace kovových tavenin pro zajištění vysoké kvality odlitků a polotovarů. Pomocí keramických filtrů se odstraňují nečistoty jako zbytky strusky, slévárenských písků a vzduchové bubliny. Zároveň filtry zabraňují víření a turbulencím při odlévání taveniny, což vede k velmi dobrému plnění licí formy a umožňuje výrobu obzvláště komplexních a tenkostěnných odlitků.

Na Fraunhofer IKTS jsou vyvíjeny jak samotné materiály na bázi karbidu křemíku, oxidu hlinitého a oxidu zirkoničitého, tak výrobní metody pro filtry z těchto materiálů. Přitom se vývoj koncentruje na vysoce koncentrované povlakovací suspenze s obzvlášť dobrou přilnavostí a dále na různé techniky povrchových úprav jako válcování nebo odstředivé povlakování. IKTS disponuje mimo jiné kontinuálně pracujícím, modulárním zařízením pro povrchové úpravy, díky kterému je možné věrně napodobit průmyslové podmínky. Naši výzkumníci jsou tak schopni simulovat průmyslovou výrobu pěnových keramik a připravit se tím na reálné podmínky.

Filtry z oxidu zirkoničitého pro filtraci ocelových tavenin jsou ve srovnání s filtry z oxidu hlinitého a karbidu křemíku výrazně dražší z důvodu vyšších cen za suroviny a také z důvodu potřeby vyšších teplot pro slinování. Díky nově vyvinuté metodě je možné snížit náklady na výrobu filtrů z oxidu zirkoničitého zhruba o 40 %, což vede k větší akceptanci a popularitě těchto filtrů. U reakčně vázané pěnové keramiky zirkonu křemičitého vyvinuté na Fraunhofer IKTS je 65 % originálního prášku oxidu zirkoničitého nahrazeno stechiometrickou směsí oxidu hlinitého a zirkonsilikátu. Tyto nové reakčně vázané filtry jsou proto ve srovnání s běžnými filtry z oxidu zirkoničitého nejen levnější, ale také pevnější.

Keramické licí formy pro lepší procesy chlazení v odlitcích#

© Fraunhofer IKTS
Experimentální odstupňovaný klín z formovacího materiálu k testování interakcí mezi tvarem a tloušťkou stěn.

Pro mnohé technické účely jsou zapotřebí komplexní velkoformátové odlitky se specifickými vlastnostmi materiálu. U tohoto typu výrobků je žádoucí přesné řízení výrobního procesu, tak aby bylo možné dosáhnout jednak konkurenčních výhod snížením nákladů a jednak zlepšení kvality. V procesu odlévání k tomu mohou na základě svého geometrického tvaru a materiálového složení podstatnou měrou přispět licí formy. Licí formy rozhodujícím způsobem ovlivňují interakci mezi roztaveným kovem a výsledným tvarem odlitku, proces chladnutí odlévaného dílu i průběh procesu odlévání. Proces chlazení ovlivňuje vedle materiálového složení také charakter struktury materiálu a tím i vlastnosti výrobků. Klíčem ke zdokonalení odlitků a ke snížení výrobních nákladů vysoce kvalitních slévárenských výrobků je proto kombinace konstrukce formy a výběru materiálu na základě aktuálních vědeckých poznatků.

Ve spolupráci s výrobcem forem Direkt Form vyrobila společnost Fraunhofer IKTS nový formovací materiál na bázi karbidu křemíku a nově vyvinutého pojiva na bázi jílu. Ve srovnání s komerčně dostupnými materiály má takto vázaný formovací materiál z karbidu křemíku výrazně lepší tepelnou vodivost.

Díky tomu je možné ve velké míře řídit odvod tepla z odlitku, čímž je umožněn vznik na míru ušitých struktur materiálu odlitku. Kromě toho bylo ukázáno, že rozdílné rychlosti chladnutí v důsledku různých tlouštěk stěn odlitku je možné kompenzovat cíleným použitím speciálně modifikovaných formovacích látek. V kombinaci s individuálním tvarováním při výrobě licích forem je tak možné docílit specifických vlastností jako tvrdost, pevnost, modul pružnosti nebo odolnost vůči korozi, které mohou být v různých místech odlitku odlišné, či cíleně nežádoucí vlastnosti potlačit. Díky této technologii je tudíž možné z jedné slitiny a jednotným metalurgickým procesem vyrábět odlitky s lokálně rozdílnými vlastnostmi, ale i odlitky s komplexní geometrií s homogenními vlastnostmi.

Porézní keramiky pro vysoce namáhané konstrukční díly#

© Fraunhofer IKTS
Částicové preformy a kompozitní materiály na bázi bílého litinového železa.

Využití odlévaných kovových dílů je i přes širokou paletu dostupných materiálů limitováno jejich pevností, tuhostí nebo odolností vůči opotřebení. Pomocí vložek z porézní keramiky – takzvaných preforem – je možné rozšířit oblast jejich využití a prodloužit jejich životnost. Výhodou preforem je, že jsou umístěny cíleně pouze v místech, kde je díl intenzivně zatěžován. Tím pádem není nutné, aby byl keramikou pokryt celý díl, čímž je zajištěna jednak dobrá opracovatelnost a jednak nízké náklady na výrobu. Na Fraunhofer IKTS se tyto prefromy vyvíjejí a vyrábějí ze slinované a pěnové keramiky. Výzkumníci mají k dispozici velkou škálu keramických materiálů, které lze podle konkrétní aplikace použít či dále vyvíjet. Obzvlášť příznivou vlastností obou variant preforem je jejich vysoká geometrická variabilita, což umožňuje výrobu velmi malých, ale i extrémně velkých dílů.

Slinované porézní zrnové preformy mohou být tvořeny jak z jemných, tak z hrubých částic a mají poměrně vysoký podíl keramiky nad 50 %. Díky své struktuře se hodí především pro aplikace, kde je vyžadována vysoká odolnost vůči opotřebení a dlouhá životnost. Kromě toho je možné je infiltrovat do litinových materiálů gravitačním litím a není nutno pro ně vyvíjet speciální licí metody. U pěnové keramiky se jedná o vývoj klasických licích filtrů, které se používají pro filtraci kovových tavenin. Obsahují ale mnohem větší podíl keramiky (nad 30 %) a mají speciální hrubý porvch, jehož účelem je obzvlášť dobré spojení mezi preformou a kovem. Tyto preformy z pěnové keramiky se hodí velice dobře k vyztužení slitin lehkých kovů například za účelem dosažení vyšší tuhosti. Preferována bývá infiltrace do kovových slitin tlakovým litím. Alternativou k porézní keramice jsou kovové pěny, například z oceli, které jsou na IKTS také vyvíjeny.

Nadmíru důležité pro vlastnosti těchto kompozitních materiálů je napojení povrchu keramických preforem na kov, který jimi prochází a obklopuje je. Díky speciálně narvženým speciálním keramickým povrchům je tak každá preforma uzpůsobena použitému kovu.

Vzduchopropustná keramika ke stabilizaci komponent#

© Fraunhofer IKTS
Porézní keramika ke stabilizaci komponent při kontaktu s taveninou hliníku a zinku.

Pro řadu aplikací v metalurgii jsou používány diafragmy pro vyrovnání tlaku mezi dutými částmi v dílech, aniž by do nich pronikla tavenina. Například při ponorném pokovování se používají duté vodící a průtahové válečky, které vedou kovový pás lázní s taveninou. Při kontaktu s extrémními teplotami a tím vznikajícím přetlakem je tato kontrukce ovšem nestabilní. Problémem je hrozící deformace válečků při kontaktu s kovovou lázní, protože vzduch v dutině válečku se roztahuje. Navíc existuje nebezpečí extrémního narůstu tlaku, které může vést až k prasknutí, pokud je ve válečku zbytková vlhkost.

Fraunhofer IKTS vyvinul v rámci spolupráce s průmyslovým partnerem plynopropustnou keramiku nového typu pro aplikace v hutnictví a zušlechťování kovů, která řeší problém nestability těchto dutých válečků. Malá destička z této keramiky je vsazena pomocí speciálně vyvinutého zařízení do ložišek válečků a odvádí expandující plyn z válečku do taveniny. Tavenina na keramice téměř vůbec neulpívá a póry jsou tak jemné, že jimi sice může proniknout vzduch, ovšem proniknutí taveniny ani při vysokém tlaku možné není. Pomocí této porézní keramiky je tudíž možné rychle odvést vznikající plyn a zabránit tak přetlaku v dílech, které jsou klíčovépro správnou funkčnost zařízení.

Kromě toho může keramika sloužit jako aktivní jistící zařízení. Při extrémním nárůstu tlaku působí jako destruktivní membránová pojistka k řízenému odvodu přetlaku z válečku a tím spolehlivě zabraňuje jeho deformaci nebo prasknutí.

Testy provedené za průmyslových podmínek prokázaly, že tato keramika vydrží tlak vznikající v hliníkové tavenině při 680 °C a v zinkové tavenině při 480 °C při hloubce lázně 2,5 m. Nepropustnost keramiky pro taveninu spolehlivě zamezuje jejímu proniknutí do dílu a umožňuje tak jeho cílené odvzdušnění a snížení tlaku v dílu.

Keramika je oproti taveninám lehkých kovů odolná vůči vysokým teplotám do cca 1 200 °C na vzduchu a vůči korozi. Princip využití je tak možné přenést i na jiné slitiny.