Index of /rozprawy2/11659

Pełen tekst

(1)AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA Wydział Metali Nieżelaznych. Praca doktorska Mgr inż. Piotr Długosz. Odkształcalność odlewniczego stopu AZ91. 1. Promotor: Prof. dr hab. inż. Włodzimierz Bochniak 2. Dr inż. Paweł Ostachowski. Kraków, 2019.

(2) 2. Pragnę serdecznie podziękować Panu Profesorowi Włodzimierzowi Bochniakowi za opiekę naukową, życzliwość, wyrozumiałość, poświęcony czas oraz cenne wskazówki udzielane mi podczas badań i opracowywania wyników. Dziękuję Panu Dr inż. Pawłowi Ostachowskiemu za wsparcie techniczne i merytoryczne w trakcie realizacji badań i opracowywania wyników. Serdecznie dziękuję Panu Profesorowi Andrzejowi Korblowi za wiele inspirujących rozmów, cennych uwag i pozytywnych komentarzy na każdym etapie prowadzonych badań. Dr inż. Markowi Łagodzie za życzliwość i pomoc w trakcie realizacji badań eksperymentalnych..

(3) 3. Spis treści Wprowadzenie ...........................................................................................................................5 1. Magnez ................................................................................................................................13 1.1. Właściwości magnezu ...................................................................................................14 1.2. Podział stopów magnezu ...............................................................................................15 2. Charakterystyka stopu AZ91 ............................................................................................17 2.1. Zastosowanie .................................................................................................................25 2.2. Odlewnicze metody przetwórstwa stopów magnezu ....................................................36 2.2.1. Odlewanie do form nietrwałych - piaskowych ...........................................................38 2.2.2. Odlewanie do form nietrwałych - gipsowych .............................................................38 2.2.3. Odlewanie do form trwałych - kokilowe .....................................................................39 2.2.4. Odlewanie pod wysokim ciśnieniem ...........................................................................39 2.2.5.Prasowanie w stanie ciekłym ......................................................................................40 2.2.6. Odlewanie pod niskim ciśnieniem ..............................................................................42 2.2.7. Odlewanie ciągłe i półciągłe ......................................................................................43 2.2.8. Odlewanie ze stanu półciekłego .................................................................................44 2.3. Konwencjonalne metody przeróbki plastycznej stopów magnezu ...............................46 3. Odkształcalność magnezu i jego stopów ..........................................................................48 3.1. Odkształcenie monokryształów i stopów polikrystalicznych .......................................48 3.2. Wysokotemperaturowe odkształcenie polikrystalicznych stopów magnezu ................51 3.2.1 Zjawiska towarzyszące wysokotemperaturowemu wyciskaniu stopu AZ91 .........53 3.3. Deformacja plastyczna stopu AZ91 w warunkach dużych odkształceń .......................55 3.4. Metoda ECAP ...............................................................................................................58 3.5. Metoda CWS .................................................................................................................60 3.6. Metoda HPT (High Pressure Torsion) ..........................................................................62 3.7. Metoda ShAPE ..............................................................................................................63 3.8. Nadplastyczność stopu AZ91........................................................................................63 4. Strukturalne kryterium projektowania procesów przeróbki plastycznej – metoda KOBO. .....................................................................................................................................72 4.1. Rozwiązania techniczne w obrębie technologii KOBO ................................................75 5. Cel i teza pracy ...................................................................................................................81 6. Metodyka badań .................................................................................................................82 6.1. Przygotowanie materiału...............................................................................................84 6.1.1. Odlewanie do formy piaskowej...................................................................................84 6.1.2. Odlewanie do formy metalowej (kokili)......................................................................84 6.1.3. Odlewanie półciągłe ...................................................................................................85 6.1.4. Odlewanie metodą squeeze casting. ...........................................................................86 6.2. Wyciskanie konwencjonalne.........................................................................................87.

(4) 4 6.3. Wyciskanie metodą KOBO ...........................................................................................89 6.4. Badania metalograficzne ...............................................................................................93 6.5. Badania właściwości mechanicznych .........................................................................104 6.5.1. 6.5.2. 6.5.3. 6.5.4. 6.5.5. 6.5.6.. Preparatyka próbek wytrzymałościowych ...............................................................104 Statyczna próba rozciągania odlewów ....................................................................104 Statyczna próba rozciągania stopu magnezu AZ91 wyciskanego konwencjonalnie106 Statyczna próba rozciągania stopu magnezu AZ91 wyciskanego metodą KOBO ...107 Badania twardości ...................................................................................................120 Badania nadplastyczności........................................................................................122. 7. Podsumowanie ..................................................................................................................132 8. Wnioski .............................................................................................................................136 Literatura ..............................................................................................................................137.

(5) 5. Wprowadzenie Etymologia. pojęcia. „odkształcalność”. została. zdefiniowana. w. słowniku. Doroszewskiego jako „zdolność ciała do zmiany kształtu lub wymiarów. Odkształcalność stanowi również zasadniczą właściwość mechaniczną wszystkich ciał” [1]. Innymi słowy, odkształcalność to cecha materiału określająca jego podatność do zmiany kształtu lub wymiarów przy zachowaniu spójności materiału w określonych warunkach obciążenia, przy czym parametr ten określa: wydłużenie materiału, przewężenie, kąt odkształcenia postaciowego itp. Uważa się, że jeżeli materiał jest kruchy, to posiada niewielką zdolność do odkształcenia, a wszelkie próby jego kształtowania mogą zakończyć się tzw. kruchym zniszczeniem [2]. W literaturze przedmiotu pojawia się jednak kilka terminów uważanych za synonimy tego pojęcia, a mianowicie: plastyczność, odkształcenie plastyczne oraz formowalność. Często termin odkształcalności jednoznacznie kojarzony jest z tzw. formowalnością (ang. formabillity), czyli możliwością technologicznego, bezpiecznego kształtowania materiałów przez zastosowanie bardzo dużych stopni odkształcenia bez obawy naruszenia spójności materiału w celu nadania im żądanego kształtu, wymiarów i właściwości. Odkształcalność metali technicznych i ich stopów wykorzystuje się w przebiegu procesów technologicznych przeróbki plastycznej, takich jak np. kucie, walcowanie, ciągnienie, wyciskanie, tłoczenie etc. [3]. Zarówno wytrzymałość, jak i plastyczność pozwalają traktować metale i ich stopy jako materiały konstrukcyjne, przenoszące znaczne obciążenia bez utraty spójności. W warunkach tzw. formowania, czyli odkształcania, obciążenie przyłożone do metalu wywołuje w nim naprężenie i jego odkształcenie. Każde, nawet bardzo małe naprężenie powoduje odkształcenie, przy czym odkształcenia początkowe są zawsze sprężyste, a ich wielkość jest proporcjonalna do wielkości naprężeń. Odkształcalność zależy od istniejącego w materiale stanu naprężenia i warunków fizycznych, w jakich przebiega odkształcenie. Jeżeli materiał ma niewielką zdolność do odkształcenia, wówczas procesy przeróbki plastycznej są utrudnione, a w wykonywanych. z. niego. wyrobach. może. nastąpić. tzw.. zniszczenie. kruche.. Odkształcalność materiału zależy z jednej strony od samej jego natury, przez co rozumieć można budowę krystalograficzną (rodzaj układu krystalograficznego), skład fazowy, wielkość ziarna, strukturę granic ziarn, stopień zanieczyszczenia materiału, oraz z drugiej strony – od warunków procesu odkształcenia. Spośród tych ostatnich decydujące znaczenie ma panujący stan naprężenia. Ciekawą wykładnię odkształcalności podano w pracy [3]..

(6) 6 Stwierdzono w niej, że w oparciu o wykres stanu mechanicznego Pełczyńskiego można wykazać czy dany materiał jest trudno - odkształcalny czy też podatny do odkształcania. Z wykresu zależności naprężenie średnie – intensywność naprężenia można wyciągnąć wniosek, że materiał odkształcany drogą wyciskania teoretycznie nigdy nie powinien ulegać pęknięciu kruchemu, co oznacza że w procesie tym materiały będą wykazywać nieograniczoną odkształcalność. Jest to oczywiście stwierdzenie odległe od rzeczywistości. W praktyce bowiem obserwuje się pękanie materiałów wyciskanych ze zbyt dużą prędkością lub zbyt przegrzanych. Wyznaczony doświadczalnie poziom obu tych parametrów – prędkości wyciskania i temperatury wlewka – wyznacza limit, po przekroczeniu którego materiały wykazują kruchość prowadzącą niekiedy do utraty spójności, co szczególnie przekłada się niekorzystnie na jakość powierzchni uzyskiwanych wyrobów. Bardzo często poruszanie się wewnątrz wspomnianych limitów jest utrudnione z uwagi na wiele czynników, wynikających chociażby z rodzaju materiału, jego właściwości fizykochemicznych, bieżącego stanu struktury wynikającej z procesów przygotowawczych i stanu obróbki cieplnej. Generalnie stany naprężenia, w których dominuje trójosiowe ściskanie, sprzyjają uzyskaniu dobrej odkształcalności materiału [3]. Właściwości metali i stopów są tłumaczone specjalnym rodzajem wiązania, które nazwano wiązaniem metalicznym. Cechą wiązania metalicznego jest obecność swobodnych elektronów wewnątrz stałej lub ciekłej fazy metalicznej, które powstały przez oderwanie się od atomów wszystkich lub części elektronów walencyjnych. Elektrony te, mając swobodę poruszania się wewnątrz danej fazy, tworzą tzw. gaz elektronowy. Atomy budujące daną fazę po utracie elektronów stały się dodatnimi jonami nazywanymi rdzeniami atomowymi. W stanie stałym rdzenie te tworzą sieć krystaliczną, zajmując pozycje węzłowe, swobodne elektrony natomiast jako gaz elektronowy, stanowiący wspólną własność zbioru wszystkich rdzeni atomowych, krążą między węzłami sieci. Wzajemne elektrodynamiczne oddziaływanie dodatnio naładowanych rdzeni atomowych i ujemnie naładowanego gazu elektronowego decyduje o energii wiązania fazy metalicznej. Znaczna wytrzymałość metali spowodowana jest dużymi siłami spójności, dzięki równowadze sił elektrostatycznego przyciągania między jonami i wolnymi elektronami. Kryształy metaliczne wykazują charakterystyczne właściwości stanu metalicznego: nieprzezroczystość, połysk, dobrą przewodność cieplną i elektryczną oraz plastyczność [4,5]. Większość metali krystalizuje w układach krystalograficznych charakteryzujących się wysoką symetrią i dużą gęstością zapełnienia sieci przestrzennej atomami, w szczególności:  A1 – sieć ściennie (płasko) centrowana układu regularnego (RSC),  A2 – sieć przestrzennie centrowana układu regularnego (RPC),.

(7) 7  A3 – sieć heksagonalna o gęstym ułożeniu atomów (HGU), niekiedy zwana heksagonalną zwartą (HZ) [6]. Przetwórstwo metali i ich stopów powoduje głęboką ingerencję w ich strukturę krystaliczną, a umiejętność projektowania i sterowania tego typu procesami wymaga znajomości elementarnych praw. rządzących. odkształceniem plastycznym.. Zgodnie. z kryterium von Misesa materiały polikrystaliczne odkształcane plastycznie muszą skorzystać z co najmniej pięciu niezależnych systemów poślizgu, aby zapewnić ciągłość na granicach ziarn [7]. Istnieje duża różnica pomiędzy kryształami rzeczywistymi a doskonałymi, które zostały wykorzystane do uniwersalnego modelu służącego do teoretycznych rozważań i obliczeń naprężenia ścinającego powodującego odkształcenie materiału. Różnica ta wynika bezpośrednio z budowy rzeczywistej sieci krystalicznej materiałów metalicznych, zdefektowanej nieprawidłowym usytuowaniem pojedynczych atomów (defekty punktowe) lub ich skupisk w postaci liniowej (dyslokacje) i powierzchniowej (granice ziarn). Defekty te są ośrodkami o podwyższonej energii, zwanej zmagazynowaną energią odkształcenia, natomiast ich wpływ na właściwości kryształów jest ogromny i przejawia się zarówno w zjawisku dyfuzji, jak i mechanizmie odkształcenia plastycznego. W przypadku braku defektów punktowych (głównie wakancji) nie byłoby dyfuzji, a bez dyslokacji – niezwykle utrudnione byłoby odkształcenie plastyczne. Biorąc pod uwagę budowę krystaliczną materiałów metalowych, poślizg to fizyczny akt, który jest faktycznie poprzedzony procesem generowania dyslokacji i polega na ich ruchu w określonej płaszczyźnie, tzw. płaszczyźnie poślizgu. Zakres tego elementarnego zdarzenia wyznacza powierzchnia lub inaczej ścieżka (droga) przemieszczania (poślizgu). Istotnym parametrem. jednostkowego. poślizgu,. jest. ilość. wygenerowanych. przez. źródło. i zaangażowanych w nim dyslokacji reprezentowanych przez grupę linii poślizgu obserwowanych na powierzchni kryształu. Zgodnie z modelem Frenkla teoretyczna wartość naprężenia, przy którym następuje poślizg, wyraża się zależnością (1): 𝜏𝑚𝑎𝑥 =. 𝐺𝑏 = 𝜏𝑘 2𝜋𝑎. (1). gdzie: 𝜏𝑘 – krytyczne naprężenie poślizgu, G – moduł sprężystości poprzecznej, a – odległości między szeregiem atomów w stanie równowagi stabilnej, b – odległości pomiędzy szeregiem atomów w stanie równowagi niestabilnej..

(8) 8 𝐺𝑏. Przyjmując 𝑎 ≈ 𝑏, można wyliczyć dla konkretnych metali: 𝜏𝑘 = 2𝜋, przy czym 𝐺. zgodnie z uściślonym modelem, teoretyczna wytrzymałość na ścinanie wynosi: 𝜏𝑘 = 30 [8]. Wytrzymałość teoretyczna jest wyższa niż wytrzymałość rzeczywista, ponieważ mechanizm poślizgu nie przebiega według modelu Frenkla. W modelu tym bowiem równoczesne przesunięcie dwóch warstw atomowych względem siebie w sposób sztywny o wartość pojedynczej odległości atomowej wymaga przyłożenia ogromnego naprężenia zdolnego do zerwania ogromnej ilości wiązań naraz. Dlatego wysunięto hipotezę zakładającą istnienie tzw. sprężystych defektów sieci – dyslokacji, które sukcesywnie przemieszczane pod wpływem naprężeń stycznych, znacznie ułatwiają odkształcenie. Przyjęcie modelu dyslokacyjnego odkształcenia plastycznego zbiegło się w czasie z pierwszymi badaniami, prowadzonymi przy użyciu mikroskopu transmisyjnego, powierzchniowych śladów związanych z deformacją monokryształów w postaci linii poślizgu. W szczególności teoria dyslokacji powstała w latach 30. XX wieku i ogłoszona została niemal jednocześnie przez trzech niezależnych badaczy: Taylora [9,10], Orowana [11,12] i Polanyiego [13]. Ich wspólny postulat zawierał stwierdzenie, że odkształcenie plastyczne kryształów rzeczywistych wiąże się z niedoskonałością struktury. W konsekwencji Burgers [14], a potem inni badacze rozwinęli ogólną teorię dyslokacji traktującą defekty liniowe jako miejsca niejednorodne, o nieprawidłowej strukturze sieciowej umieszczone wewnątrz kryształów o prawidłowej sieci. Defekty te posiadają charakterystyczne cechy dynamiczne, a więc poruszają się ruchem zachowawczym w płaszczyznach poślizgów, najczęściej pod wpływem zewnętrznych lub wewnętrznych bodźców, a także oddziałują na siebie i na inne defekty za pośrednictwem pól naprężeń. Bezwzględna wartość przemieszczenia związanego z pojedynczą dyslokacją ma wielkość rzędu wektora Burgersa. Uzyskanie zatem mierzalnych makroskopowych odkształceń plastycznych wymaga zaangażowania bardzo dużej liczby dyslokacji. Każda z nich posiada własne dalekozasięgowe pole naprężeń i w związku z tym należy oczekiwać, że ruch dużej liczby takich nośników deformacji będzie związany z koniecznością pewnej ich organizacji czasowo-przestrzennej, powodowanej przez wzajemne oddziaływania i naturalną tendencję do minimalizowania energii wewnętrznej. Istnieje wiele modeli, za pomocą których można opisać mechanizm dyslokacyjny, który zasadniczo różni się od tego dla modelu kryształu doskonałego. Niemniej jednak poślizg dyslokacji w krysztale rzeczywistym rozpoczyna się w momencie, gdy naprężenie styczne działające w płaszczyźnie i kierunku poślizgu osiąga wartość progową, która.

(9) 9 charakteryzuje krytyczne naprężenie poślizgu. Naprężenie to jest stałe dla danej płaszczyzny i danego kierunku krystalograficznego oraz określonych warunków badania. Jego wartość zależy od rodzaju materiału (ilości i rodzaju zanieczyszczeń), temperatury i prędkości odkształcania. Jeżeli naprężenie to w kilku systemach poślizgu jest jednakowe, to poślizg będzie zachodził jednocześnie i sekwencyjnie we wszystkich tych systemach, czyli nastąpi poślizg wielosystemowy. W przypadku metali o sieci A3 zależność naprężenia krytycznego od temperatury jest wyższa niż w innych strukturach typu A1 i A2. Najsilniej naprężenie krytyczne zależy od zawartości domieszek, zwłaszcza w metalach o dużej czystości. Wraz ze wzrostem prędkości odkształcania naprężenie krytyczne również się zwiększa [8]. Odkształcenie w polikryształach zaczyna się najpierw w ziarnach, w których orientacja jest najbardziej korzystna dla zajścia poślizgu. Stanowiące wyraźną przeszkodę na drodze ruchu aktywnych dyslokacji granice ziaren traktowane są jako koncentratory naprężeń, które hamują lub ograniczają ich poślizg. Z drugiej strony działają jako dyslokacyjne źródła. Czołowe dyslokacje obecne w spiętrzeniu powstałym na przeszkodzie ich ruchu w określonych warunkach generują wystarczające naprężenie potrzebne do uruchomienia poślizgu w sąsiednim ziarnie poprzez aktywację kolejnych źródeł. Według danych literaturowych [15,16] uaktywnienie się mechanizmów przekazywania odkształcenia poprzez granice ziarn jest warunkiem wystąpienia tzw. lokalizacji odkształcenia w polikryształach. Także w wyniku licznych doświadczeń [17–20] dowiedziono, że efektem oddziaływania dyslokacji lasu na inne będące w ruchu dyslokacje jest swoista przebudowa substruktury ułatwiająca zajście lawinowej lokalizacji w wyniku pokonywania istniejących układów dyslokacji. Umocnienie oraz kształt krzywej umocnienia polikryształów zależą od wielu czynników, do których zaliczyć należy: stopień i prędkość odkształcenia, rodzaj sieci krystalicznej, wartość EBU (Energii Błędu Ułożenia), wielkość ziarna i temperatura odkształcenia. W polikryształach wielosystemowy poślizg dyslokacyjny odbywa się w przestrzeni ograniczonej wymiarami poszczególnych ziaren, które można traktować jako osobne, pojedyncze krystality. Tam też, obserwuje się większe niż w monokryształach ograniczenie długości drogi swobodnej dyslokacji. Polikryształy umacniają się około 5 razy intensywniej niż monokryształy odkształcane w stadium łatwego, jednosystemowego poślizgu i dwukrotnie intensywniej niż odkształcane w stadium wielosystemowego poślizgu. Dlatego też wiedza - szczególnie na temat mechanizmów odkształcenia plastycznego w warunkach dużych naprężeń, jest niezbędna w projektowaniu metod kształtowania plastycznego materiałów metalicznych..

(10) 10 Zmiana warunków odkształcenia realizowana przez zmianę schematu obciążenia wpływa na charakter działających systemów poślizgu. Uważa się, że wielosystemowy, homogeniczny poślizg zostaje zastąpiony przez heterogeniczne, zlokalizowane odkształcenie w pasmach poślizgu dla monokryształów lub pasmach ścinania dla materiałów polikrystalicznych.. Bezpośrednią. przyczyną. takiego. zachowania. jest. destabilizacja. substruktury. Podobna sytuacja ma miejsce podczas monotonicznej deformacji prowadzonej bez zmiany drogi odkształcenia, ale w warunkach dużych obciążeń. Pojawiająca się wówczas samoistna zmiana drogi deformacji prowadzi do analogicznych skutków strukturalnych i mechanicznych, choć nie tak intensywnych, jak w sytuacji zmiany schematu obciążenia. Odkształcenie plastyczne materiałów metalicznych dokonujące się w ten sposób nie powoduje ich umocnienia przeciwnie, często prowadzi do obniżenia naprężeń wewnętrznych, czyniąc proces niskoenergetycznym. Kompletne podejście do pojęcia odkształcalności stopów magnezu zaprezentował Barnett w pracy [21], w której odniósł się do wyników statycznej próby rozciągania próbek magnezowych jako miary odkształcalności tego typu stopów w rzeczywistych procesach produkcyjnych. W powszechnej opinii statyczna próba rozciągania stanowi niezwykle użyteczny test, często wykorzystywany do podkreślenia kluczowych różnic między magnezem i jego stopami, a stopami aluminium [21]. Magnez i jego stopy wykazują granice plastyczności porównywalne do bazowych stopów aluminium, jednak cechują się znacznie większa anizotropią własności. Barnett podkreślił, że odkształcalność stopów magnezu limitowana jest budową ich sieci elementarnej, natomiast dominujące w nich mechanizmy odkształcenia plastycznego obejmują poślizg dyslokacyjny, bliźniakowanie i poślizg po granicach ziarn. Obserwowane może być również zjawisko rekrystalizacji dynamicznej. Ponieważ magnez krystalizuje w układzie heksagonalnym A3, stopy na bazie magnezu mogą być przerabiane plastycznie głównie w podwyższonej temperaturze. Wyroby ze stopów magnezu. przerabiane. plastycznie. charakteryzują. się. wyższymi. właściwościami. wytrzymałościowymi i plastycznymi w porównaniu do wyrobów otrzymywanych w procesie odlewania. Obecnie najbardziej zaawansowane badania związane z przetwórstwem stopów magnezu w skali przemysłowej dotyczą procesów wyciskania. Tzw. wyciskalność stopów magnezu mierzy się m.in. prędkością wyciskania. Stopy magnezu wyciskane są z mniejszą prędkością niż stopy aluminium, ale z użyciem większych sił. Zbyt duża prędkość wyciskania sprzyja powstawaniu pęcherzy, kruchości na gorąco i obniżeniu właściwości mechanicznych [7], z drugiej strony zmniejszanie prędkości wyciskania może być nieekonomiczne. Procesy wyciskania obejmują zarówno produkcję prętów i kształtowników, jak również profili.

(11) 11 o różnym przekroju. Obiecująco prezentują się efekty wyciskania współbieżnego rur magnezowych z użyciem trzpieni, natomiast jeśli chodzi o pozostałe metody przeróbki plastycznej wyraźnie zauważalny jest postęp w dziedzinie kucia oraz tłoczenia [22]. Równocześnie rozwijane są innowacyjne metody walcowania blach ze stopów magnezowych [23–28], będące w stadium laboratoryjnym metody SPD (ang. severe plastic deformation) [29–37] oraz metody kształtowania nadplastycznego [38,39]. Technologia kształtowania nadplastycznego. SPF. (ang.. superplastic. forming). polega. na. między. innymi. wysokotemperaturowym kształtowaniu arkuszy metalowych za pomocą np. gorącego strumienia medium (gaz techniczny). Wydłużenie uzyskane tą metodą przekracza 100% i ograniczone jest jedynie prędkością odkształcania. Także właściwości mechaniczne gotowych wyrobów są bardzo dobre, ponieważ w trakcie realizacji procesów umocnienie materiału praktycznie nie występuje. Materiały odkształcane metodą SPF wypadają korzystnie, jeśli chodzi o stabilność wymiarową. Zadowalająca jest również jakość ich powierzchni, zatem nie jest wymagana obróbka wykańczająca. Technologia SPF zawiera w sobie potencjalną łatwość formowania materiałów, jest nisko kosztowa, w szczególności niskoenergetyczna. Ekonomicznym i wydajnym sposobem odkształcenia, który stwarza szansę na uzyskanie stabilnej i rozdrobnionej mikrostruktury, jest wyciskanie metalu na zimno poprzez obustronnie skręcaną matrycę (metoda KOBO). W niniejszej pracy podjęto badania, których celem była ocena możliwości realizacji odkształcenia. plastycznego. odlewniczego. stopu. magnezu. AZ91. (MgAl9Zn1),. w niskotemperaturowej próbie wyciskania metodą KOBO. Dla porównania stop wyciskano również. konwencjonalnie. w. podwyższonej. temperaturze.. Należący. do. grupy. trójskładnikowych stopów odlewniczych stop AZ91(MgAl9Zn1), charakteryzuje się doskonałą lejnością i niewielkim skurczem, jednak w stanie lanym, nieobrobionym cieplnie cechuje się niską plastycznością na poziomie 2–4%. AZ91 pozostaje – z uwagi na dobre poziomy właściwości mechanicznych oraz dobrą charakterystykę technologiczną – podstawowym materiałem na lekkie odlewane części konstrukcyjne. Jest powszechnie wykorzystywany między innymi do produkcji odlewów dla motoryzacji, głównie metodami odlewania ciśnieniowego, w mniejszym stopniu odlewa się go do form trwałych (kokili), jak również do form jednorazowych (piaskowych, gipsowych i ceramicznych) [40–42]. Mimo zaliczenia stopu AZ91 do grupy stopów odlewniczych, nie wyklucza się różnych form jego kształtowania plastycznego [43–50]. W szczególności stopy podobnego układu (Mg-Al-Zn) – o zawartościach Al od 1 do 8% wag. – są powszechnie rekomendowane do przeróbki.

(12) 12 plastycznej (drogą wyciskania, wytłaczania czy kucia – głównie na gorąco, w temperaturach od 300 do 450°C). W celu realizacji części doświadczalnej niniejszej pracy przygotowano wlewki ze stopu AZ91 w postaci odlewu piaskowego, kokilowego oraz prasowanego w stanie ciekłym i odlewu powstałego w procesie odlewania półciągłego. Wlewki poddano kształtowaniu plastycznemu metodą wyciskania KOBO, które realizowano w temperaturze pokojowej. (otoczenia). oraz. alternatywnie. metodą. wyciskania. konwencjonalnego. w podwyższonej temperaturze. Przejściu ze stanu lanego w stan odkształcony towarzyszyła nie tylko zmiana stanu struktury zarówno na poziomie makro, jak i mikro, ale również zmiana parametrów mechanicznych. W wyniku realizacji procesu wyciskania gruboziarnista, niejednorodna, struktura odlewu zostaje rozdrobniona i ujednorodniona. Na podstawie wyników. prób. rozciągania,. które. dotyczyły. zarówno. próbek. odlewanych,. jak i odkształconych plastycznie, stwierdzono wzrost wytrzymałości oraz plastyczności, gdy porównano stan odkształcony do stanu lanego. Ciekawe rezultaty przyniosły obserwacje mikrostruktury metodami skaningowymi, zauważono bowiem istotne zmiany w morfologii fazy Mg17Al12, której obecność w strukturze trójskładnikowych stopów z układu MgAlZn zazwyczaj przyczynia się do kruchości na gorąco. Przyjęcie w pracy harmonogramu uwzględniającego wykorzystanie dwóch procesów odkształcania:. konwencjonalnego. i z udziałem dodatkowego, rewersyjnie obracanego narzędzia pozwoliło na szczegółową analizę problemów towarzyszących odkształcaniu plastycznemu stopów magnezu zarówno w ujęciu technologicznym, jak i fizycznym. Podstawowym wnioskiem wynikającym z rozważań jest przekonanie o możliwości skutecznego. kształtowania plastycznego. odlewniczych stopów magnezu zarówno w procesie konwencjonalnym, jak i w procesie KOBO. Jednak realizacja procesu konwencjonalnego wymagała udziału wyższych nacisków i zastosowania odpowiednio wysokiej temperatury oraz wcześniejszej homogenizacji wlewków. Z porównania obydwu procesów wynika, że metoda KOBO wyróżnia się jako proces niskotemperaturowego efektywnego odkształcania, nie wymagający wstępnych operacji cieplnych wlewków (homogenizacji - realizowany jest w temperaturze pokojowej), pod wpływem znacznie niższych nacisków. W kontekście odkształcania odlewniczego stopu magnezu AZ91, dodatkowym aspektem wyciskania KOBO jest możliwość osiągania przez niego cech nadplastycznych zarówno podczas samego procesu KOBO, jak i w dalszych procesach odkształcania prasówki..

(13) 13. 1. Magnez Okolicznością sprzyjającą zwiększaniu udziału stopów magnezu jako materiałów konstrukcyjnych jest względnie łatwy dostęp do zasobów naturalnych tego pierwiastka, a także upowszechniający się jego recykling. Według prezesa korporacji E12 Magnesium Corporation „Kompozyty węglowe, chociaż atrakcyjne na papierze, nie nadają się do recyklingu i nie oferują precyzji projektowania i elastyczności produkcji, które są łatwo dostępne w przypadku stopów magnezu” [51]. Magnez jest drugim najbardziej obfitym metalem ziem alkalicznych, ósmym najbardziej obfitym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej, w której stanowi 2,74%, a trzecim najliczniejszym w wodzie morskiej. Właśnie w wodzie morskiej i słonych jeziorach znajduje się 3,7% całej ilości magnezu w przyrodzie, natomiast związki magnezu i wapnia decydują o twardości wody. Istnieje też około 200 znanych minerałów zawierających magnez, przy czym tylko niektóre z nich mają znaczenie przemysłowe. Magnez pozyskuje się metodą elektrolityczną albo metodą redukcji cieplnej tlenku magnezowego węglem, krzemem, glinem lub karbidem. Klasyfikacja metod otrzymywania magnezu opiera się na licznych danych literaturowych i obejmuje tradycyjne procesy, jak: proces elektrolityczny [52-54], wysokoenergetyczne procesy redukcji cieplnej, czyli: proces Pidgeon, proces Magnetherm, proces Bolzano, proces Zuliani [52-55]. Nowsze, alternatywne metody pozyskiwania magnezu to procesy aluminotermiczne, których zasadniczą zaletą jest niższe niż w metodach silikotermicznych zapotrzebowanie na energię. W niektórych publikacjach wspomina się o nieużywanych obecnie metodach węglotermicznych, których eksploatacja ze względu na zbyt duże zapotrzebowanie energetyczne nie znajduje uzasadnienia. Cennym źródłem magnezu jest także złom obiegowy powstały w trakcie procesów odlewniczych oraz obróbki mechanicznej elementów ze stopów magnezu. Metal ten oraz jego stopy, w przeciwieństwie do tworzyw sztucznych oraz większości kompozytów, podlega niemal 100% recyklingowi, który jest działaniem opłacalnym. Procesy hutnicze, polegające na pozyskiwaniu magnezu ze źródeł pierwotnych, stanowią rozwiązania bardzo energochłonne i wysokoemisyjne. Realizacja przykładowego procesu termicznej redukcji tlenku magnezu (proces Pidgeon) wiąże się z wysoką emisją CO2 (42kg CO2 na 1kg Mg). Dla porównania, emisja CO2 z produkcji stali wynosi 0,5–2,0 kg na 1 kg stali. Pierwszy aspekt opłacalności recyklingu magnezu wynika z prostego rachunku obejmującego koszty energii. Przetapianie niskowartościowego złomu magnezu wymaga około 30% mniej energii.

(14) 14 niż pozyskiwanie magnezu ze źródeł pierwotnych, przy czym niektóre źródła literaturowe podają, że do wyprodukowania 1 kg magnezu potrzeba średnio 35 kWh, natomiast na odzysk tej samej ilości wystarcza 3 kWh [54]. Magnez pozyskuje się również z popiołów lotnych powstałych w wyniku spalania węgla brunatnego (metoda Latrobe) [56].. 1.1. Właściwości magnezu Mimo, że magnez jest powszechnie uważany za najlżejszy materiał konstrukcyjny, to odpowiednich cech wytrzymałościowych nabiera dopiero w postaci stopów magnezu. W stanie czystym bowiem jego właściwości mechaniczne są stosunkowo niskie: Rm = 90– 110MPa w stanie lanym, w stanie prasowanym natomiast ok. 250MPa i twardość ok. 35HBW [52]. Moduł Younga wynosi 45GPa, moduł Kirchhoffa – 17GPa, a współczynnik Poissona – 0,290. W tabeli 1 przedstawiono najistotniejsze właściwości fizyczne i mechaniczne magnezu. Tabela 1. Wykaz najważniejszych właściwości fizycznych i mechanicznych magnezu [53]. Właściwości. Fizyczne. Mechaniczne. 1). Symbol Jednostka. Wartość. Gęstość. . g/cm3. 1,738. Przewodność cieplna. Λ. W/(m°C). 156. Współczynnik rozszerzalności cieplnej. Α. m/(m°C). 24,8. Ciepło właściwe. CW. J/(g°C). 1,02. Temperatura topnienia. Tt. °C. 650. Moduł sprężystości Younga. E. GPa. 45. Wytrzymałość na rozciąganie1). Rm. MPa. 165–2202). Umowna granica plastyczności1). Rp0,2. MPa. 70–1402). Twardość1). HB. Wydłużenie1). A. Współczynnik Poissona. Ν. w temperaturze pokojowej. 30–452) %. 2–122) 0,291. 2). w zależności od sposobu przetwarzania. Magnez, którego postać metaliczną pokazano na rysunku 1b krystalizuje w sieci A3 – heksagonalnej zwartej (rys. 1a). W temperaturze 25°C jego parametry sieciowe są następujące: a = 0,32092 nm, c = 0,52105 nm. Iloraz parametrów c/a=1,6236, co daje wartość.

(15) 15 bardzo zbliżoną do wartości teoretycznej c/a równej 1,633 [53]. Pozostałe metale o sieci heksagonalnej posiadają wartość c/a znacznie różniącą się od wartości teoretycznej. Dla tytanu jest ona niższa i wynosi c/a=1,592, dla cyrkonu c/a=1,592, dla berylu c/a=1,568. Tymczasem dla cynku stosunek c/a=1,8563, a dla kadmu c/a=1,8858, a więc są to wartości wyższe od teoretycznej [53].. a). b). Rysunek 1. a) Komórka elementarna magnezu, b) magnez metaliczny [53,57].. W temperaturze pokojowej gęstość magnezu wynosi 1,738 g/cm3, co odpowiada wartości gęstości obliczonej po uwzględnieniu parametrów sieci oraz ciężaru atomowego [53]. Technicznie czysty magnez charakteryzuje się bardzo niską odpornością na korozję. Odwrotnie niż w przypadku aluminium powłoka tlenkowa powstająca na skutek oddziaływania wilgotnego powietrza jest niewystarczająco zwarta i nie w pełni działa antykorozyjnie [58,59].. 1.2. Podział stopów magnezu Stopy magnezu oznacza się według metody: „ASTM B951 – Standard Practice for Codification of Unalloyed Magnesium and Magnesium-Alloys, Cast and Wrought” [60]. Polega ona na takim ustaleniu kolejności znaków w skrócie, aby pierwsza litera oznaczała dominujący pod względem udziału procentowego pierwiastek (A – aluminium, Z – cynk), zaś kolejne pierwiastki o zmniejszającym się udziale oznacza się następnymi literami. Kolejność cyfr wiąże się z udziałem poszczególnych pierwiastków wyrażonym w procentach wagowych [58]. Oznaczanie według PN-EN 1754:2002 może być literowo cyfrowe lub literowe z uwzględnieniem symboli pierwiastków [6]..

(16) 16 Podział stopów magnezu na stopy odlewnicze i stopy do przeróbki plastycznej prezentowany jest przez niektóre źródła literaturowe [7]. Osobna natomiast klasyfikacja obejmuje stopy nowej generacji, takie jak np. stopy wytwarzane metodą szybkiego krzepnięcia I i II generacji (ang. RSP – rapid solidification process), ultralekkie stopy z litem Mg-Li, stopy amorficzne, kompozyty typu MMK (Metalowe Materiały Kompozytowe), gazary [58]. W odlewnictwie najbardziej rozpowszechnione są: stopy typu Mg-Al zawierające takie pierwiastki, jak: Zn, Mn, Si i Cu; stopy Mg-Mn oraz stopy Mg-Zn z takim dodatkami, jak: Zr, Ag, Th i Ce. Coraz większy udział w badaniach laboratoryjnych służących rychłemu wdrożeniu w przemyśle mają ultralekkie stopy Mg-Li, w skład których wchodzą jeszcze: Al, Cd, H2 i Ag. Polska norma PN-EN 1753:2001 obejmuje siedem grup stopów odlewniczych magnezu, do których należą: MgAlZn, MgAlMn, MgAlSi, MgZnCu, MgZnREZr, MgREAgZr i MgYREZr [61]. W tabelach 3–5 zawartych w normie PN-EN 1753:2001 zestawiono ich właściwości mechaniczne, natomiast w tabeli 6, w tej samej normie właściwości chemiczne [61]. W dokumencie tym zamieszczono również informacje dotyczące parametrów mechanicznych odlewów ze stopów magnezu odlanych pod ciśnieniem, odlewów odlanych w formach piaskowych oraz w formach metalowych (kokilach) [61]. Do najczęściej wykorzystywanych w przeróbce plastycznej stopów należą stopy z grupy Mg-Al-Zn (AZ31, AZ61, AZ80) [7]. Stop AZ31 najczęściej wykorzystywany jest do produkcji blach i płyt. Poddawany jest on obróbce na zimno oraz utwardzeniu poprzez umocnienie roztworowe. Materiał ten ma skłonności do mięknięcia w podwyższonej temperaturze. Stopem nadającym się do pracy w wyższych wartościach temperatury jest całkowicie spawalny, zawierający w swoim składzie tor: HK31 i HM21 [7,22]. Walcowaniu można poddawać również stopy magnezu z litem. Obecność litu w stopie zapewnia większą odkształcalność, ponieważ pierwiastek ten cechuje się siecią regularną, przestrzennie centrowaną [22]. Właściwości mechaniczne wyrobów wybranych stopów magnezu do przeróbki plastycznej przedstawiono w publikacji [62]. Do materiałów wyciskanych zalicza się stopy magnezu z manganem, cynkiem, aluminium i cyrkonem. Proces ten pozwala na zastosowanie większej ilości dodatków stopowych ze względu na lepsze warunki odkształcania. Do takich stopów zalicza się między innymi: AZ80, AZ61, ZK61, ZMC711, ZM61, ZM21 i HM31 [3]..

(17) 17 Kuciu. poddaje. się. stopy. z. dodatkiem. Al. (AZ80). lub. Zn. (ZK60),. a w podwyższonych wartościach temperatury z Th (HM21) [22]. Wśród stopów przeznaczonych do przeróbki plastycznej nie znajduje się AZ91.. 2. Charakterystyka stopu AZ91 AZ91 (MgAl9Zn1) ze względu na dobrą wytrzymałość w temperaturze pokojowej, doskonałą lejność, stabilność wymiarową, odporność na korozję morską, przy średniej zawartości aluminium 9 % wag. uważany jest za stop typowo odlewniczy, chociaż, jak już wspomniano, materiały podobnego układu (Mg-Al-Zn) – o zawartości Al od 1 do 8% wag. – są rekomendowane do przeróbki plastycznej [12]. Ze względu na skład chemiczny stop AZ91 powinno odnosić się do układu potrójnego Mg-Al-Zn (rys.3), a nawet do układu poczwórnego Mg-Al-Zn-Mn, ze względu na dodatek stopowy w postaci manganu. Natomiast podwójny układ równowagi fazowej Mg-Al pokazany na rysunku 2 charakteryzuje się wysoką rozpuszczalnością aluminium w magnezie w stanie stałym, która w temperaturze 437°C wynosi 11,8% at., czyli 12,6% wag. W miarę obniżania temperatury spada również rozpuszczalność aluminium w magnezie aż do zera w temperaturze pokojowej. W układzie równowagi fazowej magnez–aluminium znajdują się dwie fazy międzymetaliczne Mg17Al12 oraz Al3Mg2 [53]. Przy zawartości ok. 58% at. powstaje faza międzymetaliczna ε trwała w przedziale temperatury 350–370°C, która krystalizuje w układzie trygonalnym o stałych sieciowych a = 1,0362 nm, kąt α = 76,46°. Faza Al3Mg2 krystalizuje w układzie regularnym, (RSC) typu Cd2Na o parametrze a = 2,823 nm. Z ciekłego stopu Mg-Al przy zawartości 38,2% at. powstaje w temperaturze 437°C eutektyka, czyli mieszanina roztworu stałego aluminium w magnezie i fazy Mg17Al12. Z izotermicznego wykresu równowagi fazowej, w temperaturze 20oC, dla układu MgAl-Zn (rys. 3), wynika, że stop AZ91 znajduje się w obszarze dwufazowym (α-Mg + Mg17Al12)..

(18) 18. Rysunek 2. Wykres równowagi fazowej Mg-Al. [63].. AZ91. Rysunek 3. Potrójny wykres równowagi fazowej układu: Mg-Al-Zn [45,64,65]..

(19) 19 AZ91 posiada w swoim składzie najwyższą zawartość Al ze wszystkich pozostałych stopów technicznych magnezu. Wpływa to na dużą rzadkopłynność, lecz zwiększa tendencję do występowania, zwłaszcza w wyrobach odlewanych, zjawiska mikroporowatości. Wprowadzenie aluminium do układu tworzącego stop AZ91 wpływa najkorzystniej na jego właściwości mechaniczne, zwiększa bowiem wytrzymałość, twardość oraz wydłużenie, poprawia także lejność i zmniejsza skurcz odlewniczy. Aluminium w stopach serii AZ pozwala realizować zabiegi obróbki cieplnej polegające na przesycaniu oraz starzeniu. Stop AZ91 jest bowiem podatny na umocnienie wydzieleniowe, natomiast efekt umocnieniowy obróbki cieplnej zależy od właściwości fazy wydzielonej, wielkości wydzieleń oraz stopnia ich dyspersyjności i jest on znacznie niższy niż w stopach aluminium. Parametry wytrzymałości (Rm, Rp0,2) oraz plastyczności (A5) układu Mg-Al zależą nie tylko od poziomu stężenia w nich aluminium, ale w dużej mierze od stanu stopu: a) lany oraz b) lany i obrobiony cieplnie (przesycony i/lub starzony), c) obrobiony plastycznie (umocniony zgniotem). W tabeli 2 zestawiono dane dotyczące właściwości fizykochemicznych wszystkich możliwych w układzie Mg-Al-Zn-Mn związków chemicznych. Tabela 2. Skład chemiczny, parametry sieci krystalicznej i fizykochemiczne własności faz międzymetalicznych mogących występować w odlewniczych stopach magnezu układu Mg-Al-Zn-Mn (Opracowano na podstawie danych pochodzących z pracy [45]). Faza międzymetaliczna. Właściwości faz międzymetalicznych Charakterystyka sieci krystalicznej. Wzór chemiczny. Oznaczenie fazy. Skład chemiczny, [% wag.]. Parametry sieci Typ struktury. Grupa przestrzenna. Heksagonalna. a, [Å]. b, [Å]. P63/mmc. 3,202. –. c, [Å]. c/a. Ilość atomów w komórce elementarnej. TTop t / T, [K] / [°C]. –. 923 / 650. 300… 500. 1,738. Mikro- Masa wł. twardość ρ, HV, [MPa] [g/cm3]. αMg, δMg. 100,00 Mg. , β. 56,07 Mg; 43,93 Al. Regularna. I43m. 10,560. –. –. –. 58. 735 / 462. –. 2,160. β. 63,98 Al; 36,02 Mg. Regularna, ściennie centrowana. Fd3m. 28,160. –. –. –. 1166–1172. 722 / 449. 2000… 3400. 2,230. MgZn2. η lub M. Heksagonalna. P63/mmc. 5,180. –. 12. 863 / 590. –. 5,200. Mg2Zn11. Z, υ. 15,67 Mg; 84,33 Zn 6,33 Mg; 93,67 Zn 16,71 Al; 22,57 Mg; 60,72 Zn. Mg Mg17Al12 Al8Mg5. Al2Mg3Zn3. T. Zn. Zn. 100,00 Zn. –. 74,66 Al; 25,34 Mn 72,65 Al; 16,44 Mn; 10,91 Mg. Al6Mn Al18Mn2Mg3. –. Mg2Si*. β. 63,38 Mg; 36,62 Si. 5,199 1,623. 8,517 1,644. Regularna. Pm3. 8,552. –. –. –. 39. 658 / 385. –. 6,160. Regularna, przestrzennie centrowana. Im3. 14,190. –. –. –. 162. 808 / 535. 4200... 4300. 3,790. Heksagonalna. P63/mmc. 2,664. –. –. 692,5 / 419,5. Ortorombowa. Cmcm. 6,4980 7,5520 8,8700. –. 28. 983 / 710. Regularna, ściennie centrowana. Fd3m. 14,529. –. –. –. 184. –. –. 2,830. Regularna, ściennie centrowana. Fm3m. 6,351. –. –. –. 12. 1360 / 1087. 4500... 5500. 1,980. 4,946 1,856. 500… 650 5400… 5600. * – faza występująca w przypadku obecności Si w stopie magnezu jako zanieczyszczenia i/lub przy odlewaniu go do form piaskowych. 7,133 3,270.

(20) 20 Zawarte w tabeli 2 informacje są nieocenioną pomocą w interpretacji wyników badań właściwości mechanicznych stopów magnezu układów: Mg-Al, Mg-Zn, Mg-Mn, Mg-Al-Zn, Mg-Al-Mn, Mg-Al-Zn-Mn i innych, w połączeniu z analizą metalograficzną [45]. Tabela 2 stanowi również narzędzie interpretacji zjawisk strukturalnych zachodzących w wyniku odkształcenia plastycznego stopów magnezu. Faza międzymetaliczna Mg17Al12 może krystalizować w układzie regularnym o sieci przestrzennie centrowanej typu Mn – α o stałej sieciowej a = 1,0469 bądź w układzie tetragonalnym o parametrach sieciowych: a = 1,0501 nm i c = 1,0184 nm. W temperaturze 437°C z ciekłego roztworu Mg-Al, przy zawartości Al na poziomie 38,2% at., powstaje eutektyka - mieszanina złożona z roztworu stałego aluminium w magnezie (α) i fazy Mg17Al12. Wyróżnia się dwa podstawowe mechanizmy rozpadu przesyconego roztworu stałego aluminium w magnezie [53, 67, 68]: ciągły i nieciągły. Wydzielenia powstałe w wyniku działania obu mechanizmów różnią się od siebie miejscem zarodkowania. W zależności od zawartości aluminium w roztworze przesyconym oraz temperatury starzenia występuje zatem proces wydzielania: 1). nieciągły, kiedy to powstawanie cząstek -fazy ma miejsce na granicach ziaren. roztworu stałego, a zatem następuje ich częściowe przenikanie w głąb ziarn; powstające przy tym wydzielenia zarysowują wyraźną granicę. Rozpad roztworu stałego. prowadzi. do. utworzenia. charakterystycznej. struktury. komórkowej.. Mechanizm wydzielania nieciągłego polega na tym, że ich migracja rozpoczyna się od powstawania wypukłości na froncie granicy. Wypukłości są wzbogacone lub zubożone w składnik stopowy. Wzrost komórek polega na rozdzielaniu atomów rozpuszczonych na frontach wydzieleń w kontakcie z przemieszczającymi się granicami. Rządzą tym zjawiskiem dwa mechanizmy: dyfuzji poprzez sieć na froncie rozwijającej się komórki lub dyfuzji w poruszającej się granicy. W zależności od składu chemicznego stopu oraz warunków jego krzepnięcia, kształt wydzieleniowej fazy Mg17Al12 jest podobny – jak w stalach – do troostytu, sorbitu czy perlitu. Ten typ rozpadu obserwowany jest w stopach magnezu zawierających mniej niż 8% wag. Al oraz przy obróbce cieplnej poniżej 200°C. Wydzielenia nieciągłe fazy Mg17Al12 w największym stopniu wpływają na umocnienie stopu AZ91. 2). ciągły, wydzielenie ciągłe fazy Mg17Al12 zarodkuje i wzrasta w całej objętości. ziarn roztworu α. W tym przypadku rozpad roztworu stałego rozpoczyna się po pewnym czasie od utworzenia perlitu; wydzielanie perlitu ulega przy tym.

(21) 21 wstrzymaniu. Początkowo cząsteczki powstające wg. danego – ciągłego – mechanizmu pojawiają się w postaci osmondytu, posiadającego określoną krystalograficzna orientację, który zatem koaguluje w granulometryczny osmondyt oraz sferoidy (w temperaturze powyżej 200°C) lub równomiernie rozkłada się w obszarach ziaren (w temperaturze poniżej 200°C). Innymi słowy, wydzielenie ciągłe powstaje tam, gdzie nie powstała struktura komórkowa, zaś postać wydzieleń ciągłych fazy Mg17Al12 można rozróżnić na podstawie zależności krystalograficznych:  -faza w postaci równoległych cienkich płytek w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny bazalnej (0001) osnowy (roztworu α). Płytki w początkowej fazie wzrostu mają kształt rombu. Zależności krystalograficzne układu -faza/ roztwór α: (0001)o║(110)w[1210]o ║ [111]w. Wraz z upływem czasu starzenia zwiększa się rozmiar płytek w zakresie długości i szerokości aż do przyjęcia prze nie kształtu listew, które dominują ilościowo w trakcie wydzielania ciągłego,  -faza w postaci wydzieleń zarodkujących w kierunku prostopadłym do płaszczyzny bazalnej (0001), dla których istnieje następująca zależność krystalograficzna w układzie -faza/roztwór α:(0001)o ║ (111)w[1010]o ║ [110]w,  -faza w postaci wydzieleń zarodkujących ani w kierunku równoległym ani w kierunku prostopadłym do płaszczyzny bazalnej (0001), dla których istnieje następująca zależność krystalograficzna w układzie -faza/roztwór α (0001)o ║ (115)w[1010]o ║ [110]w. Początkowo wydzielenia te przyjmują kształt pręcików, który zmienia się wraz z czasem starzenia do postaci mniej regularnych form [66]. Generalnie, wydzielanie w stopach Mg-Al jest determinowane przez dwa główne czynniki (i) temperaturę starzenia i (ii) stężenie defektów strukturalnych (wakansów). Ilość bowiem ciągłych wydzieleń jest silnie zależna od ilości defektów w osnowie. W tym przypadku pełnią one rolę szczególnych miejsc zarodkowania wydzieleń. Chociaż ogólnie wiadomo, że prócz granic ziaren, występują różnego rodzaju defekty takie, jak: wakancje, atomy różnowęzłowe, dyslokacje, błędy ułożenia, przypuszcza się, że szczególną rolę w stopach AZ91 pełni wakancyjny mechanizm zarodkowania wydzieleń ciągłych, wakancje bowiem determinują mechanizm dyfuzyjny. Z uwagi na porównywalną średnicę atomów Al i Mg w stopach AZ91 może dominować dyfuzja wakansów. Kiedy dominuje proces dyfuzji.

(22) 22 poprzez granice ziaren, wydzielenia nieciągłe mają charakter uprzywilejowany, wówczas jednak, gdy dyfuzja objętościowa staje się szybszym procesem, a więc podczas schładzania przesyconego roztworu stałego dominują wydzielenia ciągłe [67].. a). b). Rysunek 4. Mikrostruktury SEM przedstawiające wydzielenia fazy γ w stopie AZ91: ciągłe a) i nieciągłe b) po starzeniu w temperaturze 270°C [68].. a). b). Rysunek 5. Mikrostruktury SEM przedstawiające wydzielenia fazy γ w stopie AZ91: ciągłe a) i nieciągłe b) po starzeniu w temperaturze 350°C [68].. Zarówno wydzielenia ciągłe, jak i nieciągłe pokazane na rysunkach 4 i 5, przyczyniają się do umocnienia stopu AZ91 w trakcie starzenia. Efekty wydzieleniowe przedstawione między innymi na rysunkach 4 i 5 w stopach magnezu są jednak znacznie niższe niż w stopach aluminium utwardzanych wydzieleniowo. Za główną tego przyczynę uznaje się orientację krystalograficzną wydzieleń względem płaszczyzny bazalnej roztworu stałego α, podczas starzenia bowiem przesyconego stopu AZ91 cząstki fazy Mg17Al12 wydzielają się jako niekoherentne z osnową. Inną przyczyną jest także niska dyspersja wydzieleń [53]. Obecność fazy Mg17Al12 przyczynia się do kruchości na gorąco stopu AZ91, w którym zawartość aluminium jest najwyższa spośród stopów magnezu. Proces umacniania stopu.

(23) 23 AZ91 cząstkami fazy Mg17Al12 wpływa wprawdzie na poprawę odporności na pełzanie w trakcie pracy do temperatury 120°C, ale w wyższej temperaturze pełzania następuje rozrost cząstek fazy Mg17Al12, co wywołuje tzw. pełzanie przyśpieszone. Stopy AZ91 z dodatkiem Si wykazują nieco zwiększoną odporność na pełzanie w przedziale temperatur: 120°C–150°C. Wprowadzenie natomiast 1,8% Ca do stopu AZ91 powoduje wzrost jego wytrzymałości na pełzanie oraz wytrzymałości w podwyższonej temperaturze. Wprowadzenie natomiast 1,8% Ca do stopu AZ91 powoduje wzrost jego wytrzymałości na pełzanie oraz wytrzymałości w podwyższonej temperaturze. Cynk występujący w stopach serii AZ nie tworzy kolejnych faz, ale zostaje wbudowany w strukturę fazy Mg17Al12, tworząc fazę potrójną Mg17Al11,5Zn0,5, która czasem bywa określana jako Mg17(Al, Zn)12 [66]. Cynk zmniejsza rozpuszczalność aluminium w magnezie, wpływając na procesy wydzieleniowe fazy Mg17Al12. Cynk do stopów układu Mg-Al dodawany jest w celu podwyższenia właściwości mechanicznych [69], natomiast mangan w celu zwiększenia ich odporności korozyjnej [70]. Jak podaje E.F. Emley [71] oraz Busk [72] maksymalnego umocnienia stopu magnezu, niezależnie od jego stanu, należy oczekiwać przy wprowadzeniu 1–3% wag. Zn. Struktura i właściwości układu zależą przy tym od prędkości chłodzenia w czasie obróbki cieplnej na roztwór stały (przesycania). W trakcie pełnej obróbki cieplnej, z chłodzeniem przy przesycaniu do gorącej wody, stopy w mniejszym stopniu skłonne są do wydzieleń nieciągłych. Niewielkie dodatki cynku ogólnie okazują nieznaczny wpływ na strukturę stopów układu Mg-Al. Trójskładnikowa faza T(Al2Mg3Zn3), o szerokim zakresie niejednorodności może pojawić się na granicach ziaren przy stosunku Zn : Al większym niż 1 : 3. Dodatek cynku zwiększa podatność stopów do pękania na gorąco w trakcie krystalizacji i tworzenia tzw. porowatości typu skurczowego. Rolą domieszek manganu jest zmniejszenie udziału objętościowego żelaza w stopie, co istotnie podwyższa odporność korozyjną. Obok aluminium, cynku i manganu wszystkie pozostałe dodatki stopowe układu Mg-Al-Zn-Mn, w zwykle stosowanych zakresach stężeń, wprowadzane są celem zwiększenia lejności stopu [24]. Oporność na korozję maleje wraz ze wzrostem zawartości Fe, Cu lub Ni. Dodatek większy niż 0,5% Si zmniejsza wydłużenie. Jeśli zawartość Fe przekroczy 0,005% w AZ91D lub AZ91E, dopuszczalny stosunek Fe-Mn nie przekroczy 0,032, to odporność na korozję gwałtownie spadnie [70]. Na właściwości mechaniczne stopu AZ91 wpływa również wielkość ziarna. Niestety, problemem tych stopów jest wysoka skłonność do gruboziarnistości, co również przekłada się na skłonność do kruchego pękania w podwyższonych wartościach temperatury. Zarówno dodatek 0,1–0,4% Bi, jak i 0,1–0,4% Sn obniżają temperaturę początku pękania w stopach.

(24) 24 Mg-Al-Zn. Na redukcję wymiaru ziarna efektywnie wpływa rafinacja oraz modyfikacja stopu na etapie przygotowania ciekłego metalu. Rafinację realizuje się zwykle za pomocą metod topnikowych i gazowych. Metoda topnikowa polega na wprowadzeniu do ciekłego stopu soli rafinujących, których rolą jest usunięcie wszelkich zanieczyszczeń w postaci tlenków i wtrąceń niemetalicznych. Proces rafinacji gazowej polega na przedmuchiwaniu ciekłego stopu gazami aktywnymi lub obojętnymi celem zredukowania zawartości wodoru do ustalonego normami poziomu. Modyfikacja termofizyczna stopu AZ91 odbywa się przez przegrzanie stopu i mieszanie mechaniczne kąpieli metalowej (Vortex) [58]. Przegrzanie stopu po rafinacji zwiększa lejność i wówczas tworzy się drobnoziarnista struktura w odlewach. oraz. następuje. równomierne. rozmieszczanie. cząstek. związków. międzymetalicznych. Prowadzi to zarazem do zwiększenia parametrów wytrzymałościowych późniejszego odlewu. W skutek przegrzania stopów magnezu z aluminium ziarna w nich rozdrabniają się w wyniku zwiększenia się ilości ośrodków krystalizacji. Przed samych odlewaniem temperaturę stopu obniża się. Metoda chemiczna polega zaś na wprowadzeniu zarodków krystalizacyjnych, do których zalicza się fluorki, chlorki i siarczki. Stosowane są również dodatki obniżające napięcie powierzchniowe w układzie stop/kryształ oraz różnego rodzaju zaprawy. Według autorów publikacji [73] najkorzystniejsze właściwości mechaniczne stop AZ91 uzyskuje po wprowadzeniu 30% złomu obiegowego. Na temat wielorakich metod rafinacji i modyfikacji stopów magnezu wydano wiele publikacji [74–82]. W większości przypadków opisywane są próby topienia stopów magnezu z dodatkami wpływającymi na wielkość ziarna, czystość, temperaturę zapłonu stopu, lejność, a także charakterystykę wytrzymałościową po procesie odlewania. Ogromny wpływ na właściwości mechaniczne stopu AZ91 mają warunki procesu krzepnięcia, a więc rodzaj technologii, za pomocą której uzyskiwany jest dany wyrób oraz parametry obróbki cieplnej. Stop AZ91 występuje w kilku podstawowych odmianach, różniących się składem chemicznym, który determinuje ich przeznaczenie: AZ91A, AZ91B, AZ91C, AZ91D, AZ91E. AZ91A – najczęściej stosowana odmiana stopu przeznaczona do odlewania ciśnieniowego. Skład chemiczny stopu: 8,3–9,7% wag Al, min. 0,35–1.0% wag. Zn, 0,13% wag. Mn, 0,50% wag. Si, maks. 0,10% wag. Cu, maks. 0,03% wag. Ni. AZ91B – wytwarzany ze złomu lub metalu wtórnego. Ta odmiana AZ91 wykorzystywana jest na przykład na pomalowane części pracujące w środowisku niepowodującym korozji. Skład chemiczny stopu: 8,3–9,7% wag. Al, min. 0,35–1,0% wag. Zn, max. 0,50% wag. Si, max. 0,35% wag. Cu, max. 0,03% wag. Ni..

(25) 25 AZ91C, AZ91E – odmiany stopu przeznaczone do odlewania w formach piaskowych i metalowych (kokil) oraz do odlewania precyzyjnego. Skład chemiczny stopu AZ91C: 8,3– 9,7% wag. Al, 0,40–1,0% wag. Zn, 0,30–0,13% wag. Mn, maks. 0,10% wag. Si, 0,01% wag. Cu, maks. 0,3% wag. Ni. Skład chemiczny stopu AZ91E: 8,1–9,3% wag. Al, 0,17–0,35% wag. Mn, 0,4–1,0% wag. Zn, 0,20% wag. Si, 0,005% wag. Fe, 0,015% wag. Cu, 0,0010% wag. Ni. AZ91D – najczęściej stosowana odmiana stopu przeznaczona do odlewania ciśnieniowego. AZ91D wykazuje dobre właściwości mechaniczne i fizyczne w połączeniu z doskonałą lejnością i odpornością na korozję morską. Odporność na korozję AZ91D o wysokiej czystości jest zasadniczo wynikiem kontroli poziomu trzech krytycznych zanieczyszczeń: żelaza, niklu i miedzi. Wysokiej czystości stop AZ91D zastąpił mniej czysty AZ91B [70]. W tabeli 3 zamieszczono wartości wybranych parametrów mechanicznych podstawowych stopów AZ91. Tabela 3. Wybrane parametry podstawowych rodzajów AZ91 [70]. Właściwości. AZ91A, AZ91B, AZ91D. Rm [MPa]. 230. 165. 275(T6). 275(T6). Rp02 [MPa]. 150. 97. 90. 145. Wydłużenie %. 3. 2,5. HB. 63. 60. 55. 70. AZ91C, AZ91E. Stopy AZ91 ze względu na czynnik kosztowy i pewne spektrum właściwości są obecnie najczęściej wykorzystywanym tworzywem przeznaczonym do produkcji lekkich elementów dla motoryzacji w procesach odlewania i przeróbki plastycznej.. 2.1. Zastosowanie Magnez wykorzystywany jest w przemyśle chemicznym i elektrochemicznym, głównie do wytwarzania stopów na bazie aluminium oraz sferoidyzacji żeliwa, odsiarczania stali, w szczególności jako dodatek stopowy. Wchodzi w skład wieloskładnikowych stopów lekkich, odpornych na alkalia. Stosowany jest także jako dodatek do stopów cynku w celu poprawienia ich własności mechanicznych i trwałości wymiarowej. Procentowy udział stopów magnezu w różnych gałęziach przemysłu zilustrowano na rysunku 6..

(26) 26. Rysunek 6. Zastosowanie magnezu w przemyśle [55].. Magnez z powodzeniem wykorzystywany jest również, jako utleniacz, reduktor oraz modyfikator stopów w przemyśle hutniczym stali. Stanowi środek redukujący przy otrzymywaniu Ti, Zr, Hf, Be i U. W licznych przypadkach magnez jest zalecany do odtleniania metali w stanie płynnym. Stosuje się na zabezpieczenie anodowe, zwykle w postaci odlewanych anod oraz jako materiał osłonowy stosów w reaktorach jądrowych (absorpcja neutronów). Czysty magnez stosowany jest w przemyśle pirotechnicznym, do produkcji flar i zimnych ogni [52,54,59]. Przemysł zbrojeniowy korzysta z zasobów magnezu przy produkcji zapalników do bomb. W ostatnich kilku latach zaobserwowano silny rozwój akumulatorów i baterii wykorzystujących magnez, szczególnie w aspekcie wzrostu mocy, jak i gęstości prądowej. Intensywne prace nad stworzeniem baterii magnezowych prowadzi Toyota. W obecnych działaniach badawczych głównym celem jest przygotowanie odpowiednich elektrolitów przewodzących jony magnezu o wystarczającej przewodności jonowej [83]. Firma McPhy Energy wybrała wodorki magnezu, aby stworzyć bezpieczne urządzenie do magazynowania wodoru, które nie wymaga dużej kompresji. Składowanie bowiem wodoru w postaci MgH2 ma praktyczne zalety, ponieważ jeden metr sześcienny magnezu zawiera 110 kilogramów (kg) wodoru atomowego, gdy tworzy się MgH2 pod ciśnieniem panującym wewnątrz elektrolizera wodnego. Proces ten jest znacznie bardziej opłacalny i bezpieczniejszy względem procesu pozyskiwania użytecznego wodoru z jego postaci ciekłej, gdzie wymaga się zastosowania wysokiego ciśnienia. Przechowywanie bardzo stabilnego MgH2 w izolowanych zbiornikach stanowi opłacalny sposób na rezerwowanie.

(27) 27 dużych ilości energii wodorowej, która z łatwością zostanie przekształcona z powrotem w energię elektryczną [83, 84, 85]. Produkcję. magnezu. pierwotnego. w tonach. na. przestrzeni. lat. 2009–2013. przedstawiono w tabeli 4 [86]. Tabela 4. Światowa produkcja magnezu pierwotnego w latach 2009–2013 (w tonach) [87]. 2009 16 000 501 000 19 4051 21 000 --29 000 2000 B2. 2010 16 000 654 000 23 3091 21 000 --29 000 2000 B2. 2011 16 000 661 000 26 2841 21 000 -200 29 000 2000 B2. 2012 16 000 698 000 27 2921 21 000 2500 200 20 000 2000 B2. 2013 16 000 900 000–1 300 000 28 0001 23 000 7500 500 32 000 -B2. Razem. 588 000. 745 000. 755 000. 787 000. 877 000. 1. Kraj Brazylia Chiny Izrael Kazachstan Korea Malezja Rosja Ukraina USA. 2. Obejmuje dane dostępne do 15 czerwca 2014 r. Brak danych w celu uniknięcia ujawnienia własności firmy (nieuwzględnione w całkowitym rozrachunku). Jak wynika z danych zamieszczonych w tabeli 4, bez wątpienia w roku 2013 światowym potentatem w wytwórstwie magnezu pierwotnego były Chiny. Obecnie również Chiny wiodą prym w wytwórstwie magnezu. W latach 2000–2008 drugim państwem na świecie po Chinach o największej ilości produkowanego magnezu pierwotnego były Stany Zjednoczone, a następnie Rosja. Do roku 2006 duże ilości magnezu produkowała również Kanada, natomiast państwami o niższej, ale wciąż znaczącej produkcji w tych latach były Izrael i Kazachstan [87].. Rysunek 7. Zużycie magnezu w formie przetworzonej w latach 2000–2015 [55]..

(28) 28 Wykres przedstawiony na rysunku 7 ilustruje wzrost zapotrzebowania na magnez w różnej formie przetworzenia na przestrzeni 15 lat. Zauważalny jest zakres wykorzystania magnezu. na. potrzeby. metalurgii. stopów. aluminium.. Nie. byłoby. bowiem. wysokowytrzymałych stopów aluminium bez dodatku magnezu. Zwraca uwagę przyrost produkcji odlewów ciśnieniowych, co świadczy o zwiększającym się udziale elementów ze stopów magnezu, między innymi w przemyśle motoryzacyjnym. Już teraz udział magnezu w najbardziej zaawansowanych konstrukcjach pojazdów mechanicznych sięga ok. 20 kg. W roku 2007 światowa produkcja odlewów ze stopów magnezu wynosiła 278 496 t, z czego największymi producentami gotowych odlewów z tych stopów są kraje wysoko uprzemysłowione, jak: USA – 110 000 t, Rosja – 80 000 t, Niemcy – 31 659 t, Włochy – 12 500 t [53]. Według raportu branżowego „Prognozy i trendy rozwojowe w odlewnictwie krajowym i światowym 2016” [86] wzrost skali produkcji stopów magnezu na tle wielkości produkcji wszystkich odlewów w poszczególnych krajach świata jest szczególnie widoczny w takich państwach, jak: USA (zdecydowany lider produkcji światowej – 98 112 000 ton), Ukraina (15 000 000 ton), Niemcy (14 921 000 ton), Austria (6 619 000 ton), Włochy (7 050 000 ton), Rumunia (5 000 000 ton), Wielka Brytania (3 400 000 ton), Szwecja (1 302 000 ton) i Węgry (965 000 ton). Według danych pochodzących z nowych publikacji [55] obecnie rolę lidera zarówno w produkcji stopów magnezu, jak i gotowych odlewów, przejęły Chiny. Amerykańskie Stowarzyszenie Odlewnicze (AFS) nakreśliło na lata 2005– 2020 tzw. technologiczną mapę drogową (ang. Technology Roadmap) dla przemysłu związanego z odlewnictwem stopów magnezu [87]. Zakłada ona m.in. „ulepszenie istniejących oraz rozwój nowych procesów odlewania stopów magnezu”. Zadania podobnego typu czekają również obecne na naszym rynku przedsiębiorstwa, a co za tym idzie polskich badaczy i inżynierów-technologów przemysłowych, z uwagi na lukę, która istnieje w tym zakresie od lat 60. ubiegłego wieku. Na podstawie „A North American Automotive Strategic Vision for Magnesium” [88] należy przyjąć, że rynek elementów konstrukcyjnych wykonywanych ze stopów odlewniczych magnezu jest zdecydowanie rozwojowy. Raport zakłada stale rosnące zastępowanie aktualnie stosowanych w motoryzacji stalowych i aluminiowych części samochodowych elementami wykonanymi właśnie ze stopów Mg. Natomiast według [89] magnez, obok aluminium, zaawansowanej stali o wysokiej wytrzymałości i kompozytów opartych na włóknach węglowych, znajduje się obecnie na szczycie listy materiałów, które wpływając na zmniejszenie wagi pojazdów, przyczynią się do zmniejszenia także ich tzw. śladu węglowego..

(29) 29 Wielkość rynku wyrobów ze stopów magnezu w Polsce określana jest wyłącznie na podstawie szacunków [86]. Są tego trzy powody. Po pierwsze: ograniczone zainteresowanie ze strony krajowych odbiorców. Po drugie: obserwowana w pewnych okresach zmienna koniunktura na światowych rynkach, która cyklicznie eliminowała magnez i jego stopy z pewnych zastosowań na rzecz aluminium lub stopów cynku oraz po trzecie: trudności technologiczne, które do niedawna uważano za istotną barierę ograniczającą powszechne zastosowanie stopów magnezu oraz pożary w zakładach. Mimo wszystko Polska, dysponując kilkoma odlewniami, zaliczana jest do grupy europejskich liderów w produkcji magnezowych odlewów ciśnieniowych (rys. 8), bowiem zdecydowana większość skomplikowanych kształtowo elementów wytwarzanych ze stopów magnezu produkowana jest metodami odlewnictwa ciśnieniowego. Rynek odlewów ciśnieniowych ze stopów magnezu jest znacznie szerszy, patrząc z globalnej perspektywy. Dostawców tego typu odlewów jest znaczna liczba, natomiast ich głównymi odbiorcami są największe koncerny motoryzacyjne. Obserwowany wzrost zapotrzebowania na lekkie odlewane ciśnieniowo komponenty ze stopów magnezu wiąże się bezpośrednio z koniecznością realizacji dyrektyw EURO dotyczących norm emisji spalin, których spełnienie wiąże się z ciągłym dążeniem producentów samochodów do redukcji ich wag. Już teraz sumaryczna waga detali ze stopów magnezu w niektórych konstrukcjach sięga 20 kg. Jak już wspomniano, ich obecność może mieć charakter zastępczy dla niektórych materiałów: jak stal czy aluminium.. Rysunek 8. Produkcja odlewów ze stopów magnezu w krajach Europy w 2015 roku [86]..

(30) 30 Na terenie naszego kraju funkcjonują duże odlewnie ciśnieniowe, a mianowicie mieszcząca się w Bielsku-Białej odlewnia „Shiloh”, odlewnia Mag-Tec z Kędzierzyna-Koźla oraz odlewnia FAM zlokalizowana w Chełmnie. Obok nich należy wymienić odlewnię WSK Rzeszów wytwarzającą elementy śmigłowców. Na rynku obecne są też małe odlewnie (Piobar, NEOCAST, EZAL) oferujące odlewy grawitacyjne w formach piaskowych. Dostęp do wyrobów przerabianych plastycznie ze stopów magnezu w Polsce w chwili obecnej jest ograniczony.. Jedynym. producentem. wlewków. magnezowych. jest. Instytut. Metali. Nieżelaznych w Skawinie, który dysponuje również specjalistycznym stanowiskiem do wyciskania stopów magnezu opartym na prasie hydraulicznej 500 T. Sekwencję wdrażania stopów magnezu w przemyśle na przestrzeni dziesięcioleci zilustrowano licznymi publikacjami [54,55,90]. Ciekawostką jest fakt, że na wczesnym etapie rozwoju silniki spalinowe posiadały tłoki wykonane ze stopów magnezu. Stosowano je również do budowy skrzyń korbowych oraz obudów przekładni. Sztandarowym rozwiązaniem konstrukcyjnym bazującym na stopach magnezu był ważący zaledwie około 20 kg zespół napędowy słynnego Volkswagena „garbusa” złożony z chłodzonego powietrzem bloku silnika oraz obudowy skrzyni biegów [90]. Wykorzystanie stopów magnezu rosło w latach 30. XX wieku, zaś szczególny wzrost zapotrzebowania na nie obserwowano w okresie trwania XX-wiecznych światowych konfliktów [40,91,92]. Nic dziwnego, bowiem stopy magnezu stosowano w konstrukcji samolotów wojskowych, a następnie w budowie śmigłowców oraz rakiet. Niewielka gęstość stopów magnezu pozwalała zwykle na znaczne obniżenie wagi i kosztów produkowanych komponentów dla motoryzacji, lotnictwa oraz przemysłu wojskowego. Wyroby produkowane ze stopów magnezu odznaczają się trwałością korozyjną, są wytrzymałe i dobrze tłumią drgania. Stopy magnezu szybko i efektywnie poddają się obróbce, co daje możliwość uzyskania precyzyjnych powierzchni wyrobów. Rutynową praktyką stosowaną przez przemysł motoryzacyjny jest dążenie do redukcji ciężaru pojazdów mechanicznych w celu zmniejszenia zużycia paliwa, ograniczenia emisji CO2, zwiększenia mobilności oraz zasięgu zarówno napędzanych konwencjonalnymi paliwami środków transportu, jak również innowacyjnych pojazdów hybrydowych, elektrycznych i zasilanych za pomocą alternatywnych źródeł energii. Proces ten ma szczególne znaczenie w świetle coraz ostrzejszych dyrektyw Unii Europejskiej EURO stojących w zgodzie z działaniami na rzecz ograniczenia zmian klimatu. Stopy magnezu pod tym względem oferują przewagę ze względu na ich niższą gęstość skorelowaną z właściwościami mechanicznymi, które mogą odpowiadać funkcjonalnym możliwościom oferowanym przez cięższe elementy ze stali i żeliwa. Stopy magnezu mają przewagę nad stalą.

(31) 31 lub stopami aluminium pod względem stosunku modułu Younga E (w potędze 1/2 lub 1/3) do gęstości (E1/2/ jest równy odpowiednio 4,0; 3,1; 2,4; 1,8). Granica plastyczności komercyjnych stopów magnezu sięga 170–270MPa i zbliża się do granicy plastyczności stali (powyżej 220MPa), przy znacznie mniejszej gęstości, odpowiednio 1,7–1,8g/cm3 oraz 7,9 g/cm3. Gęstości stopów aluminium (ok. 2,5–2,8g/cm3) i stopów tytanu (ok. 4,3– 4,7g/cm3), a także żeliwa (7,5g/cm3) są także znacząco większe od gęstości stopów magnezu [42,43,94]. Bezpośrednie zastąpienie tradycyjnych materiałów, takich jak żeliwo bądź stopy aluminium, stosowanych w budowie zespołów napędowych, elementów wnętrza, elementów podwozia i części nadwozia stopami magnezu może objawiać się także takim korzyściami, jak wysoka odporność na wstrząsy i wgniecenia oraz większa zdolność do tłumienia hałasu i wibracji [93,94]. W przypadku najcięższego elementu pojazdu, jakim jest blok silnika (rys. 9) zastąpienie żeliwa stopami aluminium pozwala oszczędzić około 66% wagi, natomiast ekwiwalent magnezu zwiększa tę redukcję do około 75% [42].. Rysunek 9. Prototyp bloku silnika dla USCAR wykonany w procesie LPDC (redukcja masy o 25%) [42].. Współczesne konstrukcje samochodowe zawierają w sobie niemal 20 kg elementów ze stopów magnezu. Według Matthew Zaluzec z Ford Motor Company „współczesne, bardzo zaawansowane technologicznie samochody powinny być zbudowane z materiałów pozwalających na osiągnięcie odpowiedniej ekonomiki spalania (CAFE) i spełnienie norm bezpieczeństwa oraz norm dotyczących emisji CO2, zaś stopy magnezu dla przemysłu motoryzacyjnego i inżynierów materiałowych są środkiem do osiągnięcia wskazanych celów” [95]. Dlatego w budowie pojazdów samochodowych spotyka się takie elementy z magnezu, jak: podnośnik fotela, miska siedzenia, wspornik konsoli, obudowa poduszki powietrznej,.

(32) 32 osłona konsoli środkowej, kierownica, obudowa zamka, elementy kolumny kierowniczej, obudowa radioodtwarzacza, drzwi schowka na rękawiczki, obudowa silnika okna, panel wewnętrzny drzwi, panel wewnętrzny mechanizmu opuszczania szyb, rama dachowa, panel dachowy, uchwyty i obudowy lusterek, pokrywa wlewu paliwa, klamka drzwi, obręcze kół, uchwyt montażowy układu ABS, wspornik pedału hamulca, gazu, sprzęgła, ramię pedału hamulca, blok silnika (rys. 9), pokrywa zaworów, obudowa skrzyni rozdzielczej 4WD, obudowa skrzyni biegów, obudowa sprzęgła i tłok, kolektor dolotowy, miska olejowa silnika, wspornik alternatora, stojan transmisyjny, adapter filtra oleju, obudowa silnika elektrycznego, reling dachowy, elementy bagażnika dachowego [42]. W budowie autobusów i pojazdów użytkowych stalowe uchwyty i poręcze zastępuje się obecnie wyciskanymi profilami magnezowymi [96]. Stopy magnezu mogą być stosowane w celu zastąpienia tradycyjnych części żeliwnych, stalowych lub aluminiowych, a tym samym zmniejszenia ciężaru elementów służących do budowy robotów przemysłowych. Lekkość w połączeniu z właściwościami tłumiącymi stopów magnezu zapewniają korzyści, których nie można uzyskać za pomocą innych stopów. Redukcja masy przez zastosowanie stopów magnezu przekłada się na zmniejszenie momentów bezwładności (inercja) i wzrost mobilności (manewrowość) zrobotyzowanego ramienia, a także umożliwia realizację bardzo precyzyjnych operacji. Inne korzyści wynikające z użycia stopów magnezu przejawiają się w obniżeniu mocy napędów o 30%, obniżeniu energochłonności napędów o 30%, obniżeniu momentów bezwładności (mniejsza inercja) o 30% wobec stopów Al. Lekka, magnezowa konstrukcja ramienia umożliwia stosowanie lekkich napędów, zmniejszają się bowiem wymagania co do ich samohamowności (napędów i przekładni). Elementy robota wykonane z odlewniczych stopów magnezu przy mniejszej względem stopów aluminium masie mogą przenosić podobne obciążenia. Po odpowiednim przygotowaniu powierzchni odznaczają się trwałością korozyjną. Konstrukcja wykonana ze stopów magnezu zapewnia także niezakłócone działanie skomplikowanych. systemów. elektronicznych.. W. przypadku. robotów. pracujących. w przemyśle spożywczym dominuje stal nierdzewna [97], ze względu na normy dotyczące kontaktu z żywnością, ale stosuje się też wytrzymałe i lekkie stopy aluminium, zgodnie z PN-EN 1706:2011. Prawdziwą innowację stanowią natomiast stopy magnezu spotykane w konstrukcji tzw. robotów humanoidalnych, takich jak robot Hondy, pod nazwą Asimo [98], czy chociażby wyposażony w lekki, ale sztywny szkielet magnezowy robot firmy ABB YuMi. [99]. oraz. SAFFiR,. eksperymentalny. robot. gaśniczy. US. Navy. i humanoidalny WALK-MAN [100,101]. Do budowy zrobotyzowanego systemu da Vinci®,.