Odlewnicze metody przetwórstwa stopów magnezu

Metody odlewnicze należą do efektywnych metod przetwórstwa stopów magnezu umożliwiają bowiem uzyskanie w skali masowej wyrobów o skomplikowanych kształtach, wysokiej dokładności oraz wystarczającej wytrzymałości.

Z wypełnieniem formy ciekłym metalem wiąże się szereg procesów cieplnych, do których należy zaliczyć jego stygnięcie w systemie wlewowym i we wnęce, krzepnięcie i stygnięcie końcowego odlewu. Procesy cieplne w formie występują w wyniku wymiany ciepła pomiędzy ciekłym i krzepnącym metalem, a później stygnącym odlewem i formą oraz pomiędzy formą i otoczeniem. Na intensywność wymiany i zakumulowania ciepła wpływa materiał formy. W formach nietrwałych procesy wymiany ciepła są utrudnione, natomiast formy metalowe ułatwiają i przyspieszają odprowadzanie ciepła [58]. Zdolność do przejmowania ciepła przez formę, zależna od jej materiału, stanu fizycznego i konstrukcji oraz rodzaju odlewanego metalu, wpływa w sposób zdecydowany na czas krzepnięcia i jakość struktury odlewu. Przepływ ciepła napotyka na opór na powierzchni zetknięcia, który może być powiększony poprzez różnego rodzaju pokrycia. Również odprowadzenie ciepła przez formę do otoczenia napotyka opór utrudniający wymianę ciepłą i dlatego forma (zwłaszcza metalowa) nagrzewa się w trakcie eksploatacji. Intensywność odprowadzenia ciepła przez formę metalową można, w pewnym zakresie regulować poprzez sztuczne chłodzenie lub ogrzewanie. Wybór właściwej metody odlewania wyrobów ze stopów AZ91 powinien być podyktowany takimi czynnikami, jak: geometria odlewu, odpowiednie właściwości eksploatacyjne, seryjność, charakterystyka technologiczna stopów (np. skłonność do pękań na gorąco, lejność) oraz mikrostruktura. Stopy magnezu z gatunku AZ91 są doskonałym tworzywem odlewniczym ze względu na wyjątkową rzadkopłynność, przewodność cieplną, szybkość odprowadzenia ciepła. Zespół tych cech pozwala na uzyskiwanie wyrobów o bardzo cienkich ściankach i wysokim odwzorowaniu założonych kształtów. W przeciwieństwie do stopów aluminium cechują się brakiem reaktywności względem stalowych narzędzi odlewniczych, co przekłada się na zwiększoną ich żywotność.

Nowoczesne procesy odlewania stopów AZ91 obejmują między innymi: 1. Technologie odlewania grawitacyjnego do form nietrwałych:

 Odlewanie do form piaskowych

 Odlewanie do form gipsowych

 Odlewanie precyzyjne (metoda wytapianych modeli)

2. Technologie odlewania grawitacyjnego do form trwałych (ang. permanent mould):

 Odlewanie do form metalowych (kokili) 3. Technologie odlewania ciągłego i półciągłego

4. Technologie odlewania z użyciem ciśnienia zewnętrznego:

 odlewanie pod niskim ciśnieniem (LPDC – ang. Low Pressure Die Casting)

 odlewanie pod wysokim ciśnieniem (HPDC – ang. High Pressure Die Casting)

 Prasowanie w stanie ciekłym (ang. squeeze casting) 5. Specjalne metody odlewania:

 Odlewanie ablacyjne

 Odlewanie do form ceramicznych chłodzonych strumieniowo 6. Technologie odlewania ze stanu półciekłego:

 Tiksoodlewanie (ang. thixocasting)

 Rheoodlewanie (ang. rheocasting)

 Tiksoformowanie (ang. thixoforming) [58].

Z uwagi na wysoką reaktywność i palność ciekłych stopów magnezu odlewanie do form nietrwałych, czyli form piaskowych, gipsowych i form ceramicznych wymaga zachowania szczególnych zasad bezpieczeństwa. Zasady te polegają na odpowiednim doborze mas formierskich (w tym gipsu syntetycznego), żywic oraz pokryć dedykowanych ściśle stopom magnezu. Procesy odlewania do form nietrwałych wymagają stosowania topników i rafinatorów zapobiegających zapaleniu się kąpieli metalicznej. Proces odlewania grawitacyjnego do form nietrwałych prowadzić należy w ściśle kontrolowanej pod względem składu chemicznego i wielkości przepływu atmosferze gazowej. Podobny reżym dotyczy odlewania do form trwałych (kokilowych). W technologii specjalistycznej formy ciśnieniowej przeznaczonej do odlewania elementów ze stopu AZ91 zakłada się przeciętną odporność wymiennych wkładów na 300 tys. cykli pomiędzy remontami formy, natomiast w warunkach odlewania wyrobów ze stopów aluminium ten cykl skraca się do ok. 100 tys. w zależności od wytrzymałości powłok ochronnych.

2.2.1. Odlewanie do form nietrwałych - piaskowych

Odlewanie do form nietrwałych, a więc między innymi piaskowych polega na wprowadzeniu ciekłego metalu do formy odzwierciedlającej kształt wyrobu. Forma po zakrzepnięciu stopu zostaje rozbita, natomiast uzyskany odlew podlega czyszczeniu z pozostałości materiału formierskiego. Odlewy ze stopu AZ91 wykonane do formy nietrwałej odznaczają się nieregularną, gruboziarnistą i silnie posegregowaną mikrostrukturą. Segregacja struktury ma charakter dendrytyczny. Ze względu na niewielki ciężar właściwy stopów AZ91 najczęstszymi problemami występującymi podczas odlewania jest występowanie tzw. niedolewów których powstanie spowodowane jest niewystarczającym ciśnieniem metalu w pewnych obszarach formy, niewystarczający przekrój kanałów wlewowych, niewystarczające zasilanie w metal za pomocą zbyt małych nadlewów, a także błędy w rozmieszczeniu tzw. ochładzalników. Niewielka pojemność cieplna stopu AZ91 powoduje zbyt szybkie krzepnięcie odlewu skutkujące nie dotarciem ciekłego metalu do wszystkich miejsc w formie. Dlatego czas krzepnięcia powinien być odpowiednio dobrany do kształtu odlewu. W technologii tej zwykle stosuje się duże nadlewy, gdyż podczas zalewania metal krzepnie szybciej w mniejszych przekrojach formy niż w większych co może prowadzić do niejednorodności chemicznej oraz strukturalnej wyrobu. Do ochrony metalu przed zapaleniem się stosuje się mieszanki gazowe wchodzące w skład specjalnej atmosfery ochronnej. Dodatkowo, do wytworzenia warstwy ochronnej na powierzchni metali używa się pyłu siarkowego, który następnie spala się do dwutlenku siarki. Formą ochrony przed reakcją ciekłego stopu z wilgocią pozostającą w materiale formy odlewniczej jest dodatek do mieszaniny piasku i żywicy specjalnych inhibitorów (kwas ortoborowy, KBF₄) [6, 62]. W procesach odlewania do form piaskowych uzyskuje się odlewy o grubość ścianki od 3 do 4 mm. Odlewy do form piaskowych ze stopów AZ91 znajdują zastosowanie w przemyśle helikopterowym.

2.2.2. Odlewanie do form nietrwałych - gipsowych

Wykonanie formy odlewniczej o niezwykle skomplikowanych kształtach i bardzo cienkich ściankach sięgających od 0,5 mm wymaga stosowania specjalnych gatunków gipsu. Spośród wielu dostępnych na rynku odmian najczęściej wykorzystuje się GILVAC 150. Przygotowanie formy z tego materiału jest czynnością wieloetapową. Gips rozrabiany jest w wodzie. Gotową mieszaninę wprowadza się do formy skrzynkowej, w której umieszczony jest dowolny model. Tak przygotowana formę napowietrza się celem zwiększenia

porowatości masy i suszy. W trakcie odlewania wewnątrz formy wywołuje się podciśnienie celem dokładnego wypełnienia jej metalem. Proces odlewania prowadzi się z zachowaniem tradycyjnych dla magnezu zasad bezpieczeństwa.

2.2.3. Odlewanie do form trwałych - kokilowe

Proces odlewania do kokili polega na wprowadzeniu ciekłego metalu do formy metalowej. Metoda ta umożliwia uzyskanie odlewów o wysokiej dokładności wymiarowej, drobnoziarnistej strukturze, wysokiej jakości powierzchni. Zwykle kokile podgrzewane są do temperatury od 300o

C do 400^oC ze względu na małą pojemność cieplną magnezu [112]. Temperatura zalewania w przypadku odlewania kokilowego nie powinna przekraczać 700o

C.

2.2.4. Odlewanie pod wysokim ciśnieniem

Odlewanie pod ciśnieniem (HPDC – ang. High Pressure Die Casting), które cechuje się obecnością nadciśnienia służącego do szybkiego wypełnienia formy ciekłym metalem zyskuje obecnie duże znaczenie w ogólnej produkcji odlewów ze stopów magnezu. W technologii tej wykonuje się przede wszystkim odlewy w produkcji wieloseryjnej lub masowej, o skomplikowanych kształtach, cienkościennych ściankach, o masie nieprzekraczającej kilkanaście kilogramów [113]. Wykonuje się też coraz więcej precyzyjnych i odpowiedzialnych części maszyn spełniających wyśrubowane kryteria wytrzymałościowe dyktowane między innymi przez przemysł lotniczy i motoryzacyjny. Odlewanie ciśnieniowe w porównaniu do grawitacyjnego jest procesem praktycznie bezodpadowym. Podstawową jednak wadą odlewnictwa ciśnieniowego jest jednostkowy koszt wykonania formy, zakładający opracowanie dokumentacji technicznej wraz z niezbędnymi rysunkami odwzorującymi kształt wyrobu i obliczeniami, konieczność stworzenia symulacji procesu wypełniania formy ciekłym metalem oraz skomplikowany proces budowy formy z pomocą zaawansowanych technik obróbki mechanicznej. Niekorzystną cechę odlewów ciśnieniowych stanowi brak ich odporności na podwyższoną temperaturę pracy z powodu tzw. porowatości gazowej, której pochodzenie związane jest z zamykaniem w objętości odlewu fazy gazowej (okluzji) na skutek najczęściej burzliwego, rzadziej warstwowego, przepływu stopu przez układ wlewowy i wnękę formy [113,114]. Odlewanie pod ciśnieniem można przeprowadzić w maszynie zimnokomorowej, jak i gorącokomorowej, których schemat pokazano na rysunku 13. Podczas odlewania zimnokomorowego metal zostaje pobrany ze zbiornika z ciekłym metalem do tak zwanej

zimniej komory, a następnie pod ciśnieniem zostaje wprowadzony do formy odlewniczej [114].

a b

Rysunek 13. Schemat maszyny ciśnieniowej a) zimnokomorowej, b) gorącokomorowej [42].

2.2.5. Prasowanie w stanie ciekłym

W opublikowanym w 2014 roku na łamach Green Car Congress artykule „Magnesium alloy VSC Machine successfully begins trial operation at GM China Advanced Technical Center” squeeze casting określona została przez przedstawicieli GM jako technologia, która: „ułatwia wytwarzanie części samochodowych ze stopów magnezu, które są lżejsze od stopów

aluminium, i poprawiają bilans związany ze zużyciem paliwa przez produkowane w Detroit pojazdy” [115].

Metodę prasowania w stanie ciekłym (ang. squeeze casting) powszechnie zalicza się do procesów odlewania ciśnieniowego. W odróżnieniu od odlewania pod ciśnieniem (ang.

pressure die casting), gdzie występują turbulentne (uwarstwione) przepływy ciekłego metalu,

w technologii squeeze casting metal wypełnia wnękę formy w sposób laminarny, bez turbulencji, z dużo mniejszą prędkością, dzięki czemu nie występuje zjawisko okluzji gazów w strukturze odlewów. W klasycznym ujęciu technologia squeeze casting polega na wlaniu ciekłego metalu do wnęki formy, uprzednio podgrzanej z naniesioną warstwą pokrycia ochronno-izolacyjnego a następnie wywarciu ciśnienia za pomocą stempla (rdzenia) prasującego. Schemat procesu squeeze casting przedstawiono na rysunku 14. Ciśnienie na ciekły metal jest przykładane bezpośrednio po jego wlaniu do formy (aby zminimalizować ewentualne występowanie fazy stałej) i utrzymywane w ciągu całego procesu aż do pełnego zakrzepnięcia odlewu. Po upływie wymaganego czasu odlew jest wysuwany z formy za pomocą układu wypychaczy [117].

Rysunek 14 Schemat procesu prasowania w stanie ciekłym: a) wprowadzenie ciekłego metalu do formy, b) zamknięcie formy i prasowanie, b) wysunięcie odlewu z formy [21].

W przypadku odlewania stopów magnezu, metal topiony jest w piecu topialno-podgrzewczym wyposażonym w stalowy tygiel. Powierzchnię kąpieli metalicznej zabezpiecza się przed zapłonem za pomocą specjalnych soli i topników oraz gazowej atmosfery ochronnej. Przykładowy cykl wykonania gotowego odlewu na maszynie UBE VSC 500 – zainstalowanej w Instytucie Odlewnictwa w Krakowie (rysunek 15), składa się z czterech etapów. Pierwszy polega na pobraniu ciekłego metalu za pomocą ramienia roboczego zakończonego stalową łyżką z pieca topialno-podgrzewczego, następnie metal wlewany jest do nachylonej komory wlewowej. W trzecim etapie komora przyjmuje pozycję pionową dopasowaną do układu wlewowego, po czym następuje czwarty krok, czyli wypełnienie formy ciekłym metalem przy pomocy ruchu tłoka. Po wypełnieniu formy metalem odlew doprasowywany jest tłokiem [118]. Wysokie ciśnieniem pod którym metal krzepnie we wnęce formy sprzyja otrzymywaniu odlewów o znikomych defektach, bez nieciągłości strukturalnych, co dodatkowo umożliwia przeprowadzenie ich pełnej obróbki cieplnej (podwyższającej właściwości), zwłaszcza wysokotemperaturowego utwardzania dyspersyjnego [119]. Dzięki zastosowaniu ciśnienia zewnętrznego, zarówno jako czynnika siłowego oraz jako czynnika termodynamicznego podczas procesu krzepnięcia metalu, uzyskiwać można znaczną poprawę końcowych parametrów wytrzymałościowych odlewów [120]. Prasowanie w stanie ciekłym daje możliwość produkcji odlewów z dokładnym odwzorowaniem kształtu i powierzchni praktycznie „na gotowo” (ang. near net shape) z uzyskiem metalu sięgającym powyżej 95% [119-121]. W praktyce technologię squeeze casting wykorzystuje się do produkcji odpowiedzialnych części w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym i zbrojeniowym. Korzystne jej aspekty zostały docenione

w kontekście wytwarzania narażonych na obciążenia elementów zawieszenia w samochodach osobowych wielu znanych marek.

Wśród dostawców maszyn ciśnieniowych do prasowania w stanie stałym wymienia się firmę Toshiba Machines producenta systemu LEOMAC, szwajcarską firmę Bühler oraz japońską firmę UBE [122].

Rysunek 15. Unikalne w skali środkowoeuropejskiej kompleksowe stanowisko do prasowania w stanie ciekłym UBE VSC 500 [58].

2.2.6. Odlewanie pod niskim ciśnieniem

Metoda odlewania T-MAG opracowana przez australijską spółkę występującą pod tą samą nazwą, stanowi proces dedykowany dla stopów magnezu i pozwala łączyć operację topienia i odlewania w jednym kompaktowym urządzeniu. Urządzenie pokazane na rysunku 16 składa się z zamkniętego pieca topialno - podgrzewczego zamykanego za pomocą szczelnej pokrywy. Piec połączony jest z dyszą za pomocą stalowej rury transportowej. Urządzenie będąc w pozycji poziomej przechowuje stop w stanie ciekłym w atmosferze ochronnej. Poziom stopu w trakcie operacji przechylania całego urządzenia zwiększa się po stronie formy osiągając poziom pozwalający na jej zasilenie. Powrót maszyny do pozycji wyjściowej następuje po zakrzepnięciu odlewu.

a b

Rysunek 16. a) Schemat urządzenia T-MAG b) Przykład odlewanych metodą T-MAG obręczy kół samochodowych ze stopu AZ91 [123].

Metoda T-MAG zapewnia pełne bezpieczeństwo odlewania stopów magnezu ze względu na zamknięty obieg metalu w trakcie procesu. Laminarny przepływ metalu w trakcie zasilania formy pozwala uzyskiwać odlewy o jednorodnej, drobnoziarnistej strukturze, pozbawione porowatości, które mogą być dodatkowo poddawane zabiegom obróbki cieplnej. Metoda odznacza się niskim zużyciem soli rafinujących i topników. Wykonuje się nią skomplikowane odlewy dla motoryzacji, takie jak bloki silników, obręcze kół samochodowych, elementy zawieszenia [123].

2.2.7. Odlewanie ciągłe i półciągłe

Procesy odlewania ciągłego i półciągłego służą do produkcji wlewków ze stopów magnezu przeznaczonych do przeróbki plastycznej. Jak już wspomniano, w Polsce nie wykonuje się wlewków na skalę przemysłową ze względu na brak odbiorców wyrobów przerabianych plastycznie. Wyjątek stanowi Instytut Metali Nieżelaznych OML w Skawinie, który dysponując w pełni produkcyjnych systemem do odlewania półciągłego firmy HPI może dostarczać wlewki ze stopu AZ91. Proces odlewania półciągłego polega na wlewaniu ciekłego stopu do intensywnie chłodzonej formy przy jednoczesnym ciągłym lub skokowym usuwaniu z niej odlewu. Uzyskuje się tym sposobem odlewy o wymiarach przekraczających często wymiary samej formy. Odlewanie ciągłe różni się od półciągłego maksymalnymi wymiarami uzyskiwanego wlewka bez konieczności odcinania jego części. Do metod odlewania ciągłego zalicza się:

- Odlewanie ciągłe przy ruchu formy wraz z odlewem (odlewanie między krystalizatorami w postaci walców, bębnów, kół, pierścieni, taśmami). Do tego typu metod

Zamykana forma metalowa Zamknięty piec retortowy z atmosferą gazową Rura transferowa

zalicza się metodę TRC (ang. twinn roll casting) służącą do odlewania wlewków w postaci płaskowników i taśm [124, 28], która zapewnia także odlewanie wlewków dwuwarstwowych. - Metoda szybkiej krystalizacji (ang. Rapid Solidification, Melt Spinning) to odlewanie ciągłe z bardzo szybką krystalizacją na powierzchni obracającego się, chłodzonego krystalizatora [125]. Sprzyja ono uzyskiwaniu drobnoziarnistej mikrostruktury i wysokich właściwości mechanicznych stopów magnezu.

Materiał, z którego wykonuje się krystalizator winien odznaczać się dobrym przewodnictwem cieplnym, odpornością na odkształcenie cieplne, odporności na zużycie ścierne, niską chropowatością. Najczęściej, do wykonywania krystalizatorów stosuje się Cu. Wadą tej technologii jest łatwość powstawania pęknięć lub zniekształcenie powierzchni wlewków nawet przy małych zakłóceniach podczas odlewania.

2.2.8. Odlewanie ze stanu półciekłego

Stopy z gatunku AZ91 mogą być odlewane ze stanu stało-ciekłego w takich procesach, jak reoodlewanie inaczej zwane odlewaniem zawiesinowym (ang. rheocasting) oraz tiksoodlewanie (ang. thixocasting). Stan tiksotropowy to fizyczny stan materii, w którym występują równolegle ciecz i ciało stałe. Stan ten charakteryzuje się niską lepkością powstałej zawiesiny. Stan tiksotropowy powstaje najczęściej poprzez przyłożenie naprężeń ścinających do stopu, utrzymywanego w temperaturze nieco niższej niż temperatura likwidus. W opracowanym przez firmę THIXOMAT procesie wytwarzania odlewów monolitycznych ze stopów magnezu, granulat stopu AZ91 znajdujący się w stanie pół-ciekłym, jest poddawany mieszaniu za pomocą specjalistycznego mieszadła ścinającego, co prowadzi do wytworzenia tzw. zawiesiny pół-stałej, która może być wprowadzona do formy ciśnieniowej z dużą, charakterystyczną dla odlewania ciśnieniowego prędkością (20-50 ms/wtrysk). Odlewanie z użyciem zewnętrznego ciśnienia mieszaniny tiksotropowej zapewnia uzyskiwanie odlewów o niewielkiej porowatości i mniejszym udziale takich wad odlewniczych jak rzadzizny skurczowe, w porównaniu do odlewów ciśnieniowych konwencjonalnych [121,122].

Strukturę reokast stopu AZ91 przeznaczoną do odlewania ciśnieniowego na maszynie zimnokomorowej przygotowuje się za pomocą mieszania mechanicznego, wibracji lub fal ultradźwiękowych w piecach odstojnikowych. Proces ten ma na celu wywołanie tzw. przemiany tiksotropowej, która ma charakter izotermiczny i odwracalny. Struktura dendrytyczna stopu ulega przemianie w strukturę globularną. Następnie stop ulega podgrzaniu do temperatury pomiędzy linią likwidus, a solidus i w tej formie zostaje

wprowadzony do formy, w której krystalizuje pod ciśnieniem tłoka. Odlewanie zawiesinowe natomiast, to ulepszony proces odlewania tiksotropowego. W tej metodzie stopy o strukturze globularnej są wytwarzane na drodze kontrolowanego odbioru ciepła oraz mieszania indukcyjnego, aż do momentu gdy zawierają 50% udział fazy stałej. Materiał w takim stanie charakteryzuje się znacznym spadkiem lepkości – w odniesieniu do stopu o dendrytycznej strukturze fazy α znajdującego się pomiędzy liniami likwidus i solidus. Umożliwia to przeprowadzenie procesu odlewania – „przeciśnięcie” zawiesiny przez układ wlewowy formy. Realizowany w Instytucie Odlewnictwa w Krakowie proces półstały znany jest jako Nowy Proces Odlewania Zawiesinowego (ang. New Rheocasting Process - NRC) i został opatentowany przez firmę UBE. Metoda NRC nie wymaga stosowania specjalnych stopów, jak w metodzie Thixocasting. Natomiast przykład wlewka w stanie ciekłostałym uzyskanego w urządzeniu UBE pokazano na rysunku 17.

Rysunek 17. Widok przekrawanego wlewka tiksotropowego ze stopu AZ91 uzyskanego w procesie NRC [Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Odlewnictwa].

Metoda odlewania tiksotropowego jest wykorzystywana w produkcji elementów przeznaczonych dla motoryzacji, w tym tłoków, bloków silnika, a także w przemyśle sportowym i ortopedycznym. Technologia ta, poza zapewnieniem bardzo dobrych właściwości mechanicznych odlewom, umożliwia także ich obróbkę cieplną, naprawy i łączenie metodą spawania. Daje możliwość także wykonywania cienkościennych odlewów, których nie można uzyskać metodą zwykłego odlewania ciśnieniowego. Zaletą tej technologii jest uzyskanie niewielkiej porowatości materiału, stabilność wymiarowa, węższa tolerancja z mniejszymi skurczami i zniekształceniami. Wyroby tiksoformowane wykorzystuje się przede wszystkim do obudów laptopów, kamer, telefonów komórkowych bądź aparatów fotograficznych [120].