Vpliv tehnoloških parametrov na kakovost ulitka pri tlačnem litju

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Vpliv tehnoloških parametrov na kakovost ulitka pri tlačnem litju

Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo

Enej Vuk

Ljubljana, avgust 2021

(2)

(3)

(4)

(5)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Vpliv tehnoloških parametrov na kakovost ulitka pri tlačnem litju

Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo

Enej Vuk

Mentor: Izr. prof. dr. Davorin Kramar

Ljubljana, avgust 2021

(6)

(7)

Kandidat:

Enej VUK DIPLOMSKO DELO VISOKOŠOLSKEGA STROKOVNEGA ŠTUDIJSKEGA

PROGRAMA I. STOPNJE STROJNIŠTVO

NASLOV TEME: Vpliv tehnoloških parametrov na kakovost ulitka pri tlačnem litju ANGL: Influence of technological parameters on cast quality in pressure die casting Podjetje se ukvarja z visokotlačnim litjem izdelkov za avtomobilsko industrijo. Aluminijski izdelki izdelani s to tehnologijo, so namenjeni vgradnji v razne pogonske, krmilne in ostale pomembne sisteme avtomobila, zato je kakovost ulitka ključnega pomena. V procesu tlačnega litja so vedno prisotne variacije parametrov, katere omejujemo z mejami tehnoloških območij posameznega parametra. V kolikor se povratna meritev nastavitve parametra nahaja znotraj tehnoloških meja, se ulitek smatra kot dober – kakovosten.

Na določenem projektu je analiza izmeta pokazala, da so na procesu litja prisotne variacije.

Analiza stabilnosti procesa kaže določena odstopanja in variacije tehnoloških parametrov od nastavljenih, kar je spodbudilo sum o neustrezno nastavljenih mejah tehnoloških območij parametrov. Namen diplomske naloge je z uporabo metode načrtovanja eksperimentov OVAT simulirati specifične variacije posameznega parametra in analizirati vpliv njihovih variacij na kakovost ulitka. Na podlagi analize kakovosti ulitkov pod različnimi nastavitvami tehnoloških parametrov naj se določi njihove ustrezne tehnološke meje.

Naloga naj vsebuje:

• predstavitev tehnologije visokotlačnega litja,

• definicijo parametrov procesa, ki vplivajo na kakovost ulitka,

• opis livarskih napak in vzrok nastanka,

• definicijo zahtev kakovosti ulitka,

• opis standarda za vrednotenje poroznosti,

• načrtovanje eksperimentov po metodi OVAT,

• vrednotenje in analizo kakovosti ulitkov,

• predstavitev rezultatov in ugotovitev.

Diplomsko delo je potrebno oddati v jezikovno in terminološko pravilni slovenščini.

Rok za oddajo tega dela je šest mesecev od dneva prevzema.

Mentor:

Izr. prof. dr. Davorin Kramar

(8)

(9)

v

Zahvala

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Davorinu Kramarju, ki mi je s svojim strokovnim znanjem, izkušnjami in nasveti pomagal pri izdelavi diplomske naloge.

Zahvaljujem se podjetju Hidria za štipendiranje v času izobraževanja in za vso pomoč, ki mi jo je podjetje nudilo pri izdelavi diplomske naloge. Posebna zahvala gre mentorju v podjetju dr. Valterju Grudnu za vso strokovno pomoč, nasvete in predano znanje v zadnjih dveh letih sodelovanja. Prav tako se zahvaljujem še vsem ostalim, ki so mi kakorkoli pomagali in svetovali.

Posebna zahvala gre mojim staršem, bratu in dekletu za vso podporo in spodbudo, ki so mi jo nudili med študijem.

(10)

vi

(11)

vii

Izjava

(12)

viii

(13)

ix

Izvleček

UDK 621.74.043:669.715(043.2) Tek. štev.: VS I/917

Vpliv tehnoloških parametrov na kakovost ulitka pri tlačnem litju

Enej Vuk

Ključne besede: visokotlačno litje

tehnološki parametri litja livarske napake

aluminijeva zlitina kakovost

poroznost ulitek

V diplomskem delu je uvodoma predstavljena tehnologija visokotlačnega litja s poudarkom na njenih prednostih in slabostih. V nadaljevanju je bolj natančno razložen proces visokotlačnega litja znotraj livarske celice in prav tako sta opisana poglavitna elementa tehnologije visokotlačnega litja ̶ livarski tlačni stroj in livarsko orodje. Omenjeni sta tudi najpogosteje uporabljeni aluminijevi zlitini. Obrazložene so livarske napake in vzroki za njihov nastanek. Posebna pozornost je posvečena poroznosti, ki je najpogostejša livarska napaka. Na sposobnost doseganja strogih zahtev glede kakovosti ulitka v določeni meri vpliva ustrezna nastavitev tehnoloških parametrov litja. V procesu visokotlačnega litja so vedno prisotne variacije parametrov, ki jih omejujemo z mejami tehnoloških območij posameznega parametra. V kolikor se povratna meritev nastavitve parametra nahaja znotraj tehnoloških meja, velja ulitek za dobrega – kakovostnega. V diplomskem delu je na eksperimentalni način z uporabo metode OVAT predstavljena kontrola pravilnosti postavitve tehnoloških meja najvplivnejših livarskih parametrov. Pravilnost postavitve tehnoloških meja je določena na podlagi vrednotenja kakovosti ulitkov z rentgensko analizo.

(14)

x

(15)

xi

Abstract

UDC 621.74.043:669.715(043.2) No.: VS I/917

Influence of technological parameters on cast quality in pressure die casting

Enej Vuk

Key words: high pressure die casting technological parameters casting defects

aluminum alloy quality

porosity die cast part

The introduction of this assignment presents the advantages and disadvantages of high pressure die casting technology. In the following part of this assignment the production process of high pressure die casting, casting machine and the casting die is presented. The most used aluminum alloys, die casting defects and the reasons for their occurrence are also described. Special attention is given to porosity, which is the most common casting defect.

To be able to meet strict casting quality requirements, machine injection parameters must be set appropriately, so that casting defects such as porosity are minimized or completely removed. In the process of high pressure die casting, variations of injection parameters are always present. Variations of injection parameters are limited by limits of the technological areas of each parameter. If the return measurement of the parameter is within the technological limits, the die casting part is considered good. The assignment presents an experimental control of the correctness of the technological limits settings, of the most influential die casting machine parameters using the OVAT method. The correctness of the technological limits settings is determined with X-ray die cast part quality analysis.

(16)

xii

(17)

xiii

Kazalo

Kazalo slik ... xv

Kazalo preglednic ... xvii

Seznam uporabljenih simbolov ... xix

Seznam uporabljenih okrajšav ... xxi

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji naloge ... 2

2 Teoretične osnove visokotlačnega litja ... 5

2.1 Livarski stroji ... 6

Toplokomorni livarski stroji ... 6

Hladnokomorni livarski stroji ... 7

2.2 Livarsko orodje ... 8

Temperirni sistem ... 10

Sistem za lokalno zgoščevanje ... 11

2.3 Zlitine za visokotlačno litje ... 12

2.4 Proces visokotlačnega litja ... 13

Livni cikel ... 14

2.5 Livarske napake ... 16

Poroznost ... 17

Nedolitost ... 19

Dvoplastnost ... 19

Prelitje – srh ... 20

Vključki v talini ... 21

3 Metodologija raziskave ... 23

3.1 Izdelek in kakovost ulitka ... 25

3.2 Aluminijeva zlitina ... 26

3.3 Livarski stroj ... 26

3.4 Merjenje poroznosti ... 27

Standard za vrednotenje poroznosti z radiografijo ASTM E 505 ... 27

Rentgenska analiza vzorcev ... 29

(18)

xiv

3.5 Določitev eksperimentov po metodi OVAT ... 30

3.6 Izvedba eksperimentov ... 32

4 Rezultati ... 33

4.1 Kontrola tehnoloških meja pomika 1. faze ... 35

4.2 Kontrola tehnoloških meja hitrosti 1. faze ... 37

4.3 Kontrola tehnoloških meja hitrosti 2. faze ... 38

4.4 Kontrola tehnoloških meja zakasnitve 3. faze ... 41

4.5 Kontrola tehnoloških meja zakasnitve zgoščevalca ... 43

4.6 Diskusija ... 45

5 Zaključki ... 47

Literatura ... 49

(19)

xv

Kazalo slik

Slika 1.1: Tehnološko območje parametra hitrosti 2. faze ... 3

Slika 2.1: Toplokomorni livarski stroj; prirejeno po [2] ... 6

Slika 2.2: Horizontalni livarski stroj s hladno komoro [4] ... 7

Slika 2.3: Shema livnega dela livarskega stroja, 1 – fiksna vpenjalna miza, 2 – mobilna polovica livarskega orodja, 3 – livna reža, 4 – livni bat, 5 – livna komora, 6 – ulivna odprtina, 7 – hidravlični cilinder, 8 – aluminijeva talina, 9 – livna votlina [2] ... 8

Slika 2.4: Fiksna polovica livarskega orodja... 9

Slika 2.5: Model strela ... 9

Slika 2.6: Temperirni kanali v gravuri ... 10

Slika 2.7: Termo slika gravure na delovni temperaturi ... 10

Slika 2.8: Livarsko orodje z zgoščevalnim sistemom; prirejeno po [5] ... 11

Slika 2.9: Krivulja strjevanja zlitin AlSI9Cu3 in AlSi12; prirejeno po [4] ... 12

Slika 2.10: Poenostavljen cikel procesa visokotlačnega litja; prirejeno po [9] ... 13

Slika 2.11: Robotizirana livarska celica ... 14

Slika 2.12: Optimalen nivo taline na livni reži pri pomiku 1. faze; prirejeno po [11] ... 15

Slika 2.13: Polnjenje livne votline v drugi fazi litja; prirejeno po [11] ... 15

Slika 2.14: Faza naknadnega tlaka; prirejeno po [11] ... 16

Slika 2.15: Najpogostejši vzroki napak v procesu visokotlačnega litja; prirejeno po [1] ... 17

Slika 2.16: Krčilna in plinska poroznost [1] ... 18

Slika 2.17: Diagram vzrokov in posledic – Ishikawa diagram; prirejeno po [14]... 18

Slika 2.18: Primer popolno dolitega (levo) in nedolitega ulitka (desno) [15] ... 19

Slika 2.19: Primer dvoplastnosti na ulitku [15] ... 20

Slika 2.20: Primer prelitja – srha na ulitku ... 20

Slika 2.21: Vključki v talini [17] ... 21

Slika 3.1: Teoretična krivulja strela ... 24

Slika 3.2: Kritični območji ulitka ohišja vodne črpalke ... 25

Slika 3.3: Referenčne radiografije za kategorijo A – plinska poroznost [22] ... 28

Slika 3.4: Shematski prikaz delovanja radiografije; prirejeno po [23] ... 29

Slika 3.5: Rentgenski posnetek plinske poroznosti v ulitku – vzorec št. 7 ... 30

Slika 3.6: Strel ohišja vodne črpalke ... 32

Slika 4.1: Diagram koncentracije napak po conah ... 33

Slika 4.2: Vpliv pomika 1. faze na krivuljo strela ... 35

Slika 4.3: Vpliv pomika 1. faze na poroznost ulitka ... 36

Slika 4.4: Poroznost v coni C7 – eksperiment št. 3 ... 36

Slika 4.5: Vpliv hitrosti 1. faze na krivuljo strela ... 37

Slika 4.6: Vpliv hitrosti 1. faze na poroznost ulitka ... 38

Slika 4.8: Vpliv hitrosti 2. faze na krivuljo strela ... 39

(20)

xvi

Slika 4.9: Vpliv hitrosti 2. faze na poroznost ulitka ... 40

Slika 4.11: Vpliv zakasnitve 3. faze na poroznost ulitka ... 41

Slika 4.13: Vpliv zakasnitve zgoščevalnega sistema na poroznost ulitka ... 43

Slika 4.14: Premaknjena poroznost – eksperiment št. 13 ... 44

(21)

xvii

Kazalo preglednic

Preglednica 3.1: Glavne dimenzije in masa ulitka ... 25

Preglednica 3.2: Kemijska sestava zlitine AlSi9Cu3 po standardu 1706:2010 EN AC46000 [20] . 26 Preglednica 3.3: Splošne specifikacije livarskega stroja [21] ... 27

Preglednica 3.4: Velikost maksimalne pore plinske poroznosti glede na ASTM E505 nivo ... 28

Preglednica 3.5: Nastavitev parametrov za posamezen eksperiment ... 31

Preglednica 4.1: Rezultati vrednotenja poroznosti eksperimentov ... 34

Preglednica 4.2: Obstoječa in nova tehnološka okna procesa visokotlačnega litja ... 46

(22)

xviii

(23)

xix

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

A m² površina

AlSi12Cu1 / aluminijeva zlitina z 12% silicija in 1% bakra AlSi9Cu3 / aluminijeva zlitina z 9% silicija in 3% bakra

d mm premer

F N sila

L M activ mm aktivna dolžina litja

m kg masa

P Pa, bar tlak

s m pot

s F fin mm konec pomika litja

s HOL mm konec odprtine za ulivanje

s M100 mm popolna zapolnjenost livne komore s MA mm nivo taline na livni reži

s Ov mm nivo taline na reži oddušnega sistema

s1 mm pot 1. faze

t s čas

V m² volumen

∆t3 ms zakasnitev delovanja 3. faze

∆tzgo s zakasnitev delovanja zgoščevalnega sistema

v m s^-1 hitrost

v 1 m s^-1 hitrost 1. faze

v 2 m s^-1 hitrost 2. faze

(24)

xx

(25)

xxi

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

ASTM Ameriško društvo za preizkušanje materialov (angl. American Society for Testing Materials)

HPDC visokotlačno litje (angl. High Pressure Die Casting)

NADCA severnoameriška organizacija za tlačno litje (angl. North American Die Casting Association)

NOK ulitek ne dosega zahtev kakovosti OK ulitek dosega zahteve kakovosti

OVAT metoda spreminjanja enega ločenega dejavnika naenkrat (angl. One Variable At a Time)

Št. eks zaporedna številka eksperimenta

(26)

xxii

(27)

1

1 Uvod

Visokotlačno litje je proizvodni postopek, ki omogoča izdelavo aluminijevih in magnezijevih izdelkov kompleksnih geometrij, ki dosegajo visoko dimenzijsko natančnost, visoko kakovost in odlično kvaliteto površine brez naknadne obdelave.

Izdelke iz aluminijevih zlitin se najpogosteje uporablja v avtomobilski industriji. Vgrajuje se jih v razne mehanske, električne in hidravlične sisteme za upravljanje osebnega vozila.

Ključni lastnosti tovrstnih izdelkov sta nizka masa in dobre mehanske lastnosti. Zato sta optimalna geometrija in kakovost izdelka izjemnega pomena. Nizka masa izdelka pripomore k lažjemu osebnemu vozilu, kar vodi k manjši porabi goriva in manjšemu onesnaževanju okolja, dobre mehanske lastnosti izdelka pa ključno vplivajo na zanesljivost in varnost osebnega vozila.

Kljub visokim investicijskim stroškom je proces visokotlačnega litja zelo razširjen, saj je več kot 70 % vseh aluminijevih izdelkov izdelanih s tehnologijo visokotlačnega litja, največji potrošnik pa je ravno avtomobilska industrija [1].

1.1 Ozadje problema

Proces visokotlačnega litja omogoča izdelavo izdelkov zapletenih oblik visoke kakovosti z nizkimi delovnimi takti. Talino s temperaturo do 720 °C se z visoko hitrostjo in pod visokim tlakom potisne v livno votlino kokile livarskega orodja. Polnjenje livne votline se kontrolira s tehnološkimi parametri krivulje strela.

Poleg ostalih nastavitvenih parametrov livarskega stroja na kakovost ulitka v določeni meri vplivajo parametri krivulje strela, zato neustrezna nastavitev teh parametrov povzroči prisotnost livarskih napak na ulitku. Ulitki s prisotnimi livarskimi napakami ne dosegajo ustrezne kakovosti, zato so neuporabni. Kakovost ulitka je ključnega pomena za proizvodnjo in prodajo kakovostnih aluminijskih izdelkov. Livarske napake so v procesu visokotlačnega litja neizbežne, vendar s pravilno nastavljenimi parametri v povezavi z dobrim dizajnom livarskega orodja verjetnost nastanka livarskih napak močno zmanjšamo.

V procesu visokotlačnega litja pogosto prihaja do variacij tehnoloških parametrov krivulje strela, ki jo sestavljajo parametri pomika in hitrosti livnega dela livarskega stroja. Možnih

(28)

Uvod

2

vzrokov za variacije parametrov je več. Vzroki so lahko zanemarljivi oz. jih ne moremo nadzorovati (npr. nihanje temperature okolice), lahko pa so resnejše narave in jih je treba čim hitreje odpraviti (npr. prekomerna obraba livnega bata).

Ne glede na vzrok, prekomerne variacije parametrov vplivajo na pojav livarskih napak in končno kakovost ulitka. Variacije tehnoloških parametrov so vedno prisotne in jih ne moremo popolnoma odstraniti, lahko pa jih nadziramo in omejujemo z mejami tehnoloških območij parametrov.

Vsak parameter krivulje strela ima na livarskem stroju nastavljeno zgornjo in spodnjo mejo tehnološkega območja, znotraj katerega je vrednost parametra sprejemljiva. V kolikor je povratna meritev nastavitve parametra za posamezen ulitek znotraj tehnoloških meja, proces obravnava ulitek kot dober – kakovosten.

1.2 Cilji naloge

Ker se nastavljanje in prilagajanje tehnoloških meja parametrov vrši ročno na podlagi operaterjevih izkušenj, se lahko zgodi, da so tehnološke meje neustrezno nastavljene. V primeru, da je tehnološko območje preširoko, nevede proizvajamo ulitke, ki ne dosegajo predpisanih zahtev kakovosti, prav tako v primeru, da je tehnološko območje preozko, nevede kakovostne ulitke zavračamo in proizvajamo dodaten izmet.

V podjetju, pri katerem sem sem štipendist, proizvajamo aluminijske izdelke za avtomobilsko industrijo s tehnologijo visokotlačnega litja. Na določenem projektu je analiza izmeta serije pokazala, da imamo prisotne variacije izmeta. Analiza stabilnosti parametrov je pokazala določena odstopanja in variacije parametrov krivulje strela, kar je vzbudilo sum o neustrezno nastavljenih mejah tehnoloških območij parametrov. Zato smo se v podjetju odločili na eksperimentalni način preveriti pravilnost postavitve tehnoloških meja parametrov krivulje strela.

Na sliki 1.1 so prikazane povratne meritve nastavitve parametra hitrosti 2. faze znotraj tehnološkega območja parametra, omejenega s tehnološkimi mejami. Na sliki 1.1 so določene meritve označene z rdečimi krogi, ker se zaradi vpliva variacij približujejo spodnji tehnološki meji parametra. Glede na sum o nepravilni nastavitvi tehnoloških meja nas zanima, ali so ulitki, uliti z obkroženimi parametri kakovostni ali ne.

Zato je cilj te diplomske naloge na eksperimentalni način preveriti kakovost ulitkov, ko so nastavitve parametrov nastavljene na tehnoloških mejah, s čimer bomo lahko določili pravilnost postavitve tehnoloških meja.

(29)

Uvod

3 Slika 1.1: Tehnološko območje parametra hitrosti 2. faze

Kakovost ulitka OK / NOK ?

(30)

Uvod

4

(31)

5

2 Teoretične osnove visokotlačnega litja

V sledečem poglavju bodo predstavljene teoretične osnove tehnologije visokotlačnega litja in proces litja v livarski celici. Podrobneje bodo predstavljeni glavni elementi tehnologije visokotlačnega litja: livarski stroj, livarsko orodje in aluminijeva zlitina.

Prav tako bodo obrazložene najpogostejše livarske napake, ki so nenehno prisotne v samem procesu. Posebna pozornost bo posvečena najpogostejši livarski napaki in oblikam, v katerih se kaže – poroznost.

Kot vsaka proizvodna tehnologija, ki se danes uporablja, ima tehnologija visokotlačnega litja poleg veliko prednosti tudi nekaj slabosti. Prednosti in slabosti tehnologije visokotlačnega litja so:

Prednosti:

- visoka natančnost ulitkov,

- gladka površina ulitkov pogosto tudi brez naknadne obdelave, - možnost izdelave ulitkov kompleksnih geometrij,

- dobre mehanske lastnosti ulitkov, - možnost izdelave tankostenskih ulitkov,

- možnost litja ulitkov z integrirano dodatno komponento iz drugega materiala (jeklena puša integrirana v ulitku).

Slabosti:

- visoki investicijski stroški, v povezavi z izdelavo livarskega orodja,

- visoki investicijski stroški, v povezavi z livarskim strojem in ostalo dodatno opremo, - maksimalna velikost ulitka je omejena z velikostjo livarskega stroja,

- visokotlačno tlačno litje zahteva dobro usposobljen in izkušen kader [2].

Zaradi visokih investicijskih stroškov, katerih velik delež predstavlja strojna oprema, je uporaba tehnologije visokotlačnega litja z ekonomskega vidika upravičena le pri serijski in masovni proizvodnji izdelkov. Za majhne količine izdelkov je primernejša tehnologija litja v hladne kalupe ali pesek [2].

(32)

Teoretične osnove visokotlačnega litja

6

2.1 Livarski stroji

Glavna elementa tehnologije visokotlačnega litja sta livarski stroj in livarsko orodje. Princip delovanja je v splošnem vsem livarskim strojem enak. Vsi livarski stroji so sestavljeni iz livnega in zapiralnega dela. Zapiralni del livarskega stroja sestavljata vpenjalni mizi, na kateri vpnemo fiksno in mobilno polovico livarskega orodja, prav tako vsak livarski stroj sestavlja še pogonska enota s hidravlično črpalko.

Najpogosteje se uporabljata dve izvedbi livarskih strojev, ki se razlikujeta glede na način ulivanja taline. To so toplokomorni in hladnokomorni livarski stroji. Hladnokomorno izvedbo livarskega stroja še dodatno delimo glede na horizontalno in vertikalno postavitev livne enote [2].

Toplokomorni livarski stroji

Glavna značilnost toplokomornega livarskega stroja je, da je vzdrževalna peč z livno enoto del stroja. Livna komora in livni bat sta namreč vedno potopljena v talino v vzdrževalni peči.

Potisk taline v livno votlino orodja se vrši s pomočjo livnega bata ali s pomočjo vpiha zraka pod tlakom. Na sliki 2.1 je prikazan princip delovanja livne enote s potiskom taline z livnim batom. Ko je livni bat na najvišji točki, se livna komora napolni s talino. Ob pomikanju navzdol livni bat zapre dotok polnjenja livne komore in talino skozi grelno šobo potisne v livno votlino livarskega orodja. Vrednost tlaka taline se v povprečju giblje okoli 100 bar, zapiralna sila orodja pa okoli 1000 kN. Ko je ulitek strjen in odvzet iz orodja, se livni bat pomakne v začetno pozicijo, livna komora se ponovno napolni s talino in livni cikel se lahko ponovi [3].

Toplokomorne livarske stroje se uporablja za litje ulitkov iz materialov, ki imajo nižjo temperaturo tališča, npr. cink, svinec, tin in magnezijeve zlitine. Prednost tovrstnih strojev je visoka produktivnost, vendar se v procesu litja pogosto pojavijo okvare livne enote, zaradi neprestanega stika s talino [3].

Slika 2.1: Toplokomorni livarski stroj; prirejeno po [2]

(33)

7

Hladnokomorni livarski stroji

V nasprotju s toplokomornim livarskim strojem pri hladnokomornem livarskem stroju livna komora in bat nista potopljena v talino, temveč je livna komora delno vstavljena v fiksno stran livarskega orodja in stroja. Potisk taline se vrši z livnim batom, ki potuje znotraj livne komore. Talina je v posebni vzdrževalni peči, ki jo ciklično dovaja v livno komoro [2].

Horizontalni livarski stroji s hladno komoro se najpogosteje uporabljajo v procesu tlačnega litja, tovrstni livarski stroji dosegajo največje naknadne tlake in zapiralne sile. Več o delovanju in livnem ciklu tovrstnih strojev bo pojasnjeno v poglavju 2.4.

Horizontalni livarski stroj, ki je prikazan na sliki 2.2, je sestavljen iz zapiralnega dela (poz.

1) in livnega dela (poz. 2). Na zapiralnem delu sta vpenjalni mizi, ena pomična in druga mobilna (poz. 3, 4). Vpenjalni mizi sta vpeti na drogovih stroja (poz. 5), ki služijo tudi kot vodila pri zapiranju mobilne mize. Med vpenjalni mizi vpnemo livarsko orodje. Drugi pomemben del livarskega stroja je livni del oz. livna enota. Pod njo spadajo livarsko orodje, livna komora, livna batnica z batom in hidravličnim cilindrom ter tlačnim rezervoarjem. Oba dela livarskega stroja povezuje pogonska enota s hidravlično črpalko (poz. 6) [4]. Na sliki 2.3 je podrobneje prikazan livni del horizontalnega livarskega stroja s hladno komoro.

Slika 2.2: Horizontalni livarski stroj s hladno komoro [4]

(34)

8

Slika 2.3: Shema livnega dela livarskega stroja, 1 – fiksna vpenjalna miza, 2 – mobilna polovica livarskega orodja, 3 – livna reža, 4 – livni bat, 5 – livna komora, 6 – ulivna odprtina, 7 – hidravlični

cilinder, 8 – aluminijeva talina, 9 – livna votlina [2]

2.2 Livarsko orodje

Drugi glavni element tehnologije tlačnega litja je livarsko orodje. Livarsko orodje nam s posebno oblikovano gravuro omogoča serijsko proizvodnjo ulitkov. Gravura livarskega orodja je izdelana na podlagi negativne geometrije ulitka, pri čemer je pri dimenzijah treba upoštevati tudi skrček materiala. Geometrija gravure je izdelana tako, da omogoča odvzemanje ulitka iz livarskega orodja brez poškodb. Negativne oblike ulitkov lahko izdelamo le s pomočjo dodatnega stranskega odpiranja jeder. Na sliki 2.4 je prikazana fiksna polovica livarskega orodja brez stranskega odpiranja jeder, s katerim lahko ulijemo dva ulitka hkrati.

Livarsko orodje je sestavljeno iz dveh polovic – fiksne in mobilne polovice. Delitev med polovicama livarskega orodja poteka po delilni ravnini. Fiksna polovica orodja je vpeta na fiksno mizo livarskega stroja, mobilna polovica pa na mobilno mizo livarskega stroja. Na mobilni polovici livarskega orodja se nahaja izmetalni sistem, ki pri odpiranju livarskega orodja zagotavlja ponovljivo odstranjevanje ulitka.

Za tok staljene kovine do gravure je potrebnih več kanalov, ki so integrirani v livarsko orodje in jih tehnološko imenujemo dolivni sistem. Dolivni sistem je zadolžen za konstantno dovajanje taline iz livne komore do gravure livarskega orodja. Prav tako so v livarskem orodju integrirani oddušni kanali – oddušni sistem, katerih naloga je odvajanje odvečnega toka taline iz zapolnjene gravure. V začetni fazi polnjenja gravure livarskega orodja je prav tako naloga oddušnikov odzračevanje livne votline livarskega orodja, kar zmanjšuje možnost nastanka plinske poroznosti.

Integracijo dolivnega sistema, ulitka in oddušnega sistema z eno besedo imenujemo strel.

Strel poleg ulitka tvori še tehnološki del, ki ga sestavljata dolivni in oddušni sistem.

Tehnološki del v tehnološki operaciji obreza odstranimo.

(35)

9 Slika 2.4: Fiksna polovica livarskega orodja

Na sliki 2.5 je prikazan model strela, ki ga sestavljata ulitka, oddušni sistem in dolivni sistem.

Slika 2.5: Model strela

100 mm

(36)

10

Temperirni sistem

Na potek tehnologije visokotlačnega litja in kakovost ulitkov močno vplivajo toplotne razmere v povezavi s talino in livarskim orodjem. Zato se za zagotavljanje ustreznih temperaturnih razmer uporablja temperirni sistem, ki livarsko orodje hladi oz. greje na delovno temperaturo. Livarsko orodje je s pomočjo kompleksnega sistema tempirnih kanalov med litjem temperirano na delovno temperaturo. Delovna temperatura se na površini gravure giblje od 150 do 350 °C. Glavni namen temperiranja je zagotavljati ustrezne toplotne razmere v gravuri livarskega orodja. S tem vplivamo na čas strjevanja taline, pojav livarskih napak in pregrevanje ulitkov, kar oslabi njihove mehanske lastnosti in sposobnost odvzemanja ulitka iz orodja brez poškodb [3].

Poleg tega zaradi manjših toplotnih razlik med talino in livarskim orodjem zmanjšamo toplotne šoke na livarsko orodje, kar vpliva na njegovo obstojnost. Najpogosteje uporabljeni temperirni medij je zaradi svojih termičnih lastnosti mineralno ali sintetično olje. Slika 2.6 prikazuje potek temperirnih kanalov v gravuri livarskega orodja, na sliki 2.7 pa je s posnetkom termo kamere prikazan učinek delovanja temperiranja.

Slika 2.6: Temperirni kanali v gravuri

Slika 2.7: Termo slika gravure na delovni temperaturi 90 mm

90 mm

(37)

11

Sistem za lokalno zgoščevanje

Eden izmed pomembnejših sistemov tehnologije tlačnega litja je sistem za lokalno zgoščevanje. Ta se uporablja za lokalno zgoščevanje debelejših delov ulitka, ki so zaradi povečane mase materiala bolj podvrženi nastanku plinske in krčilne poroznosti zaradi krčenja materiala.

Sistem za lokalno zgoščevanje je del livarskega orodja in je lahko vgrajen v fiksno ali mobilno polovico. Sestavljajo ga hidravlični cilinder, zgoščevalna igla in vodilna puša.

Zgoščevalna igla v fazi strjevanja taline s pomočjo hidravličnega cilindra z določeno zakasnitvijo prodre v notranjost ulitka in lokalno zgosti material.

Glede na volumen materiala, ki ga je treba lokalno zgostiti, se v fazi razvoja livarskega orodja določi premer in hod zgoščevalne igle. Premer in hod zgoščevalne igle določa volumen materiala, ki se ga bo zgostilo.

Pomemben parameter, ki vpliva na učinek zgoščevalnega sistema, je časovna zakasnitev prodiranja zgoščevalne igle v ulitek. V kolikor je zakasnitev prekratka, zgoščevalna igla prodre v še tekočo talino in ne doseže zgoščevalnega učinka. V kolikor pa je zakasnitev predolga, zgoščevalna igra ne more prodreti v ulitek, ker se je talina že strdila.

Za doseganje želenega učinka zgoščevanja je optimalna nastavitev časovne zakasnitve izjemnega pomena in je določena v neposredni povezavi s hitrostjo strjevanja taline.

Parametri zakasnitve se v praksi gibljejo do 5 s in se za različne projekte razlikujejo. Na sliki 2.8 je prikazano livarsko orodje z vgrajenim sistemom za lokalno zgoščevanje.

Slika 2.8: Livarsko orodje z zgoščevalnim sistemom; prirejeno po [5]

(38)

12

2.3 Zlitine za visokotlačno litje

V procesu visokotlačnega litja s hladno komoro se najpogosteje uporablja aluminijeve zlitine, legirane s silicijem (Si) in bakrom (Cu). Dodatek silicija vpliva na livnost zlitine, kar je najpomembnejša lastnost pri visokotlačnem litju. Drugi najpogostejši legirni element v Al-Si zlitini je baker. Dodatek bakra pri hitrem ohlajanju ostane prisilno raztopljen v zlitini.

Pri tem se tvorijo kemijske spojine tipa Al2Cu, ki imajo bistveno večjo trdoto kot čisti aluminij. Drobnozrnate faze Al2Cu se pri staranju enakomerno porazdelijo in s tem znatno okrepijo trdoto in trdnost ulitka. Višja vsebnost bakra v zlitini povečuje njeno trdnost in sposobnost obdelovanja, vendar znatno zmanjšuje njeno korozijsko odpornost [2].

Najpogosteje uporabljeni zlitini sta aluminijevi zlitini AlSi9Cu3 in AlSi12Cu1. Med seboj se razlikujeta glede vsebnosti legirnih elementov silicija in bakra, kar vpliva na livnost, obdelovalnost in korozijsko odpornost aluminijeve zlitine [2].

Uporaba določene zlitine pri visokotlačnem litju je pomembna za polnjenje livne votline v drugi fazi litja in strjevanje v tretji fazi litja [4]. Zlitina AlSi9Cu3 ima začetek strjevanja pri likvidus liniji pri temperaturi 603 °C in konec strjevanja pri solidus liniji pri temperaturi 495

°C [6], [7]. Zlitina AlSi12Cu1 pa ima začetek strjevanja pri likvidus liniji pri temperaturi 590 °C in konec strjevanja pri solidus liniji pri temperaturi 570 °C [8].

Ker ima zlitina AlSi9Cu3 večjo temperaturno razliko med likvidus in solidus linijo (108 °C) v praksi to pomeni, da imamo z njo več časa na razpolago pri polnjenju livne votline in lahko uporabljamo večjo zakasnitev pri delovanju tretje faze kot pri uporabi aluminijeve zlitine AlSi12Cu1, ki ima temperaturno razliko med solidus in likvidus linijo le 20 °C [4], [8].

Slika 2.9: Krivulja strjevanja zlitin AlSI9Cu3 in AlSi12; prirejeno po [4]

(39)

13

2.4 Proces visokotlačnega litja

V procesu visokotlačnega litja je aluminijeva talina v loncu transportirana od glavne talilne peči do vzdrževalne peči poleg livarskega stroja. Vzdrževalna peč, nameščena poleg livnega dela livarskega stroja, vzdržuje temperaturo taline med 650 in 720 °C.

Livni del livarskega stroja sestavljajo hladna livna komora, livni bat in hidravlični cilinder.

Talina je iz vzdrževalne peči dozirana po livnem kanalu skozi ulivno odprtino v livno komoro. Potisk taline v livno votlino kokile livarskega orodja je izvršen s hidravličnim sistemom, ki natančno regulira hitrost in tlak livnega bata. Zapiralni del livarskega stroja sestavljata fiksna in mobilna miza, na kateri vpnemo fiksno in mobilno polovico livarskega orodja.

Livna votlina kokile livarskega orodja, ki ji pravimo tudi gravura, je izdelana na podlagi negativne geometrije izdelka z upoštevanjem skrčka materiala in zakonitosti delilnih ravnin, da je mogoče odvzemanje ulitka brez poškodb. Gravura livarskega orodja je izdelana iz posebnega orodnega jekla, ki prenese visoke temperature in tlake. Velikost zapiralne sile, s katero je orodje zaprto, se definira glede na projekcijsko površino ulitka. Večina livarskih strojev po svetu ima sposobnost zapiralne sile od 2500 kN do 24000 kN, se pa v zadnjem času na trgu pojavljajo tudi stroji z zapiralno silo 90000 kN [9], [10].

Livarsko orodje je med litjem temperirano na temperaturo med 120 in 280 °C. Temperatura temperiranja je odvisna od mase, velikosti in geometrije ulitka. Aluminijeva zlitina je pri temperaturi med 650 in 720 °C dozirana v livno komoro, ki jo livni bat potisne v gravuro livarskega orodja. Tok taline je do gravure speljan skozi kompleksen dolivni sistem, ki se z livno režo spoji z ulitkom, istočasno pa sta atmosferski zrak in odvečna talina iz gravure speljana skozi oddušni sistem. Ko je temperatura ulitka dovolj nizka, se orodje odpre in je ulitek odstranjen iz gravure z izmetalnim sistemom. Orodje je nato premazano z emulzijo na vodni osnovi, ki orodje ohladi, očisti in zaščiti. Orodje se ponovno zapre in cikel se ponovi [9]. Na sliki 2.10 je prikazan poenostavljen cikel visokotlačnega litja.

Slika 2.10: Poenostavljen cikel procesa visokotlačnega litja; prirejeno po [9]

Proces visokotlačnega litja se izvaja znotraj robotizirane livarske celice. Poleg livarskega stroja, vzdrževalne peči in mazalnega robota, livarsko celico sestavljajo še hladilna kad, obrezna stiskalnica in markirna naprava. Za manipulacijo ulitka med tehnološkimi procesi znotraj livarske celice skrbi livarski robot. Po odprtju livarskega orodja robot s tritočkovnim prijemalom odvzame ulitek in ga potopi v hladilno kad. Čas hlajenja ulitka v hladilni kadi je

(40)

14

odvisen od njegove mase, mase dolivnega in oddušnega sistema ter se pri posameznih projektih razlikuje. Namen hladilne kadi je hitro ohlajanje ulitka na nižjo temperaturo. Robot po določenem času hlajenja ulitek premakne na drugo tehnološko operacijo obreza.

Tehnološka operacija obreza se vrši z obreznim orodjem, ki je vpeto v obrezno stiskalnico.

S tehnološko operacijo obreza ulitku odstranimo tehnološki del, ki ga sestavljajo dolivni sistem, oddušni sistem in odvečni srh.

Ulitek je po operaciji obreza pripravljen na tehnološko operacijo markiranja, ki se vrši na markirni postaji. Z markiranjem ulitek opremimo z datumom in časom izdelave ter posebno črtno kodo, ki zagotavlja sledljivost ulitka. Po opravljeni tehnološki operaciji markiranja robot ulitek odloži na tekoči trak. Iz tekočega traku jih livar odvzame, opravi očno kontrolo in jih pospravi v zaboje. Na sliki 2.11 je prikazana robotizirana livarska celica.

Avtomatizirano delovanje vseh naštetih sistemov in tehnoloških operacij v popolni sinergiji omogoča masovno proizvodnjo izdelkov za izpolnjevanje potreb in doseganje konkurenčnosti v avtomobilski industriji.

Slika 2.11: Robotizirana livarska celica

Livni cikel

Livni cikel pri procesu visokotlačnega litja lahko razdelimo v tri faze. Ustrezna nastavitev parametrov posamezne faze bistveno vpliva na kakovost ulitka [2].

2.4.1.1 Prva faza

V prvi fazi litja v livno komoro dolijemo zadostno količino taline za en cikel litja. Idealno zapolnjena livna komora je med 40 in 60 % njenega volumna [11]. Ko je komora ustrezno zapolnjena, livni bat prične s fazo pomika. Z optimalno nastavljenim pomikom prve faze, ki

(41)

15 ga merimo v milimetrih, zagotovimo ustrezen nivo taline na livni reži. Livna reža povezuje dolivni sistem z ulitkom. Ustrezen nivo taline na livni reži je prikazan na sliki 2.12.

Hitrost livnega bata je med pomikom prve faze relativno nizka (0,2 – 0,7 m/s), saj je treba pri pomiku prve faze zagotoviti laminaren tok taline v livni komori. S previsoko hitrostjo livnega bata se val taline v livni komori prelomi in pri tem v talino zajamemo zrak. Zrak v talini je škodljiv, saj tvori plinsko poroznost v ulitku [2].

Slika 2.12: Optimalen nivo taline na livni reži pri pomiku 1. faze; prirejeno po [11]

2.4.1.2 Druga faza

Po končanem pomiku prve faze sledi druga faza. V drugi fazi litja potisnemo talino v livno votlino livarskega orodja. Livna votlina mora biti zaradi hitrega strjevanja taline zelo hitro zapolnjena, da lahko dosegamo visoko kakovost ulitkov brez livarskih napak. Časi polnjenja livne votline se gibljejo od 30 do 200 ms [9]. Doseganje tako nizkih časov polnjenja livne votline nam omogočata visoka hitrost pomika livnega bata, ki se giblje do 6 m/s, in debelina livne reže (od 1 mm do 4,5 mm), ki nam pospeši talino od 25 do 70 m/s [9]. Z doseženim pogojem visoke hitrosti taline na livni reži preprečimo njeno zamrznitev in omogočimo dovajanje taline v livno votlino tudi, ko se talina že strjuje [4]. Livna reža ima poleg funkcije pospeševanja toka taline tudi funkcijo pršenja in mešanja taline, ki razbije oksidni film in tako pripomore k višji homogenosti ulitka.

Slika 2.13: Polnjenje livne votline v drugi fazi litja; prirejeno po [11]

(42)

16

2.4.1.3 Tretja faza

Po zaključeni fazi polnjena livne votline sledi faza naknadnega tlaka. S fazo naknadnega tlaka dosežemo maksimalno napolnjenost gravure, kar preprečuje pomanjkanje taline ob krčenju materiala. Faza naknadnega tlaka je prikazana na sliki 2.14.

Do krčenja materiala pride pri strjevanju taline zaradi transformacije iz tekočega v trdno stanje. Strjevanje se prične, ko temperatura taline doseže likvidus linijo in se nadaljuje do solidus linije, pri kateri je strjevanje taline zaključeno. V času strjevanja taline med likvidus in solidus linijo pride do pojava preureditve kristalne rešetke iz relativno naključno urejene kristalne rešetke v bolj gosto in tesno urejeno kristalno rešetko. Preureditev kristalne rešetke se kaže v volumskemu skrčku materiala (cca. 4 %), ki vpliva na pojav krčilne poroznosti [9].

Z ustrezno nastavljenima parametroma tlaka in časovne zakasnitve tretje faze zmanjšamo možnosti nastanka plinske in krčilne poroznosti [2], [12].

Slika 2.14: Faza naknadnega tlaka; prirejeno po [11]

2.5 Livarske napake

Livarske napake so posledica nepravilnosti v procesu tlačnega litja, ki se kažejo v ulitkih.

Nekatere napake so do določene mere sprejemljive in jih lahko nadziramo, nekatere pa so nezaželene in jih je potrebno odpraviti [13].

Dobro zasnovan proces tlačnega litja v povezavi z dobro zasnovanim dizajnom livarskega orodja in ustrezno talino bi moral proizvajati ulitke brez livarskih napak. Vendar, če proces v livarni nima vzpostavljenega popolnega nadzora in vpeljane dobre prakse preventivnega vzdrževanja, ne more proizvajati popolnih ulitkov brez livarskih napak [13].

Najpogostejše livarske napake lahko umestimo v tri skupine:

- livarske napake, povezane s fazo polnjenja livne votline, - livarske napake, povezane z obliko ulitka,

- livarske napake, povezane s temperaturnimi razmerami [13].

(43)

17

Poroznost

V procesu visokotlačnega litja je poroznost najpogostejša livarska napaka, ki se pojavi v ulitkih. Poroznost znatno vpliva na mehanske lastnosti ulitka, kar se kaže v manjši natezni trdnosti, manjši duktilnosti, manjši gostoti in poslabšani sposobnosti tesnjenja ulitka. Na sliki 2.15 je prikazan tortni diagram rezultatov mednarodne raziskave organizacije NADCA, na katerem so prikazani najpogostejši vzroki napak, ki vplivajo na kakovost ulitka [1].

Slika 2.15: Najpogostejši vzroki napak v procesu visokotlačnega litja; prirejeno po [1]

Iz diagrama na sliki 2.15 je razvidno, da poroznost predstavlja 35 % napak, ki se pojavijo v procesu visokotlačnega litja. Ostali vzroki napak so pripisani ostalim livarskim napakam (32

%), napakam procesa visokotlačnega litja (22 %) in napakam livarskega orodja (11 %).

Poroznost se kaže v več oblikah, najpogostejši obliki poroznosti sta plinska in krčilna poroznost [1].

Plinsko poroznost predstavljajo ujete plinske pore v notranjosti ulitka, ki jih talina skozi oddušni sistem ne izrine iz livne votline livarskega orodja. Plin v porah lahko predstavlja zrak, zajet pri turbulentnem toku taline, vodik, raztopljen v aluminijski talini ali vlagi iz maziv, ki se uporabljajo za mazanje in hlajenje livarskega orodja [1], [13].

Krčilna poroznost se pojavi zaradi volumskega skrčka materiala in jo lahko opišemo kot notranje razpoke v ulitku. Krčilna poroznost se najpogosteje pojavi na debelejših delih ulitka in na ostrih prehodih med različnimi debelinami. Ta napaka nastane, ker se talina med strjevanjem zlaga v nove preurejene kristalne rešetke in zato lahko na debelejših delih ulitka zaradi pomankanja materiala ostane prazen prostor – krčilna poroznost [13].

Na sliki 2.16 je prikazan primer plinske (desna slika) in krčilne poroznosti (leva slika).

Vidimo lahko, da so za plinsko poroznost značilne plinske pore pravilne okrogle oblike, za krčilno poroznost pa so značilne podolgovate razpoke nepravilnih oblik [1], [13].

(44)

18

Slika 2.16: Krčilna in plinska poroznost [1]

Vzrokov za nastanek poroznosti je več in so med seboj lahko povezani ali ne. S pomočjo Ishikawa diagrama vzrokov in posledic, prikazanega na sliki 2.17, lahko izpostavimo štiri glavne veje, ki vplivajo na nastanek poroznosti. V sklopu te diplomske naloge smo se v podjetju osredotočili na vejo, ki obsega nastavitvene parametre livarskega stroja.

Slika 2.17: Diagram vzrokov in posledic – Ishikawa diagram; prirejeno po [14]

1 mm

(45)

19 Zelo pomembno je poudariti, da nastavitveni parametri ne predstavljajo največjega vpliva na nastanek poroznosti. Največji vpliv na poroznost predstavljata dizajn in konstrukcija livarskega orodja, bolj specifično dizajn dolivnega in oddušnega sistema, ki se v fazi razvoja livarskega orodja s pomočjo računalniških simulacij maksimalno optimizira. Torej je sam vpliv parametrov krivulje strela na poroznost relativno majhen, vendar zelo pomemben in ključen za doseganje najstrožjih zahtev glede kakovosti ulitka.

Nedolitost

Nedolitost ulitka tudi uvrščamo med livarske napake. Kot je razvidno iz slike 2.18, ulitek na desni strani ni popolnoma zalit, tako kot ulitek na levi strani. Do nedolitost pride, ko se gravura livarskega orodja ne zapolni popolnoma.

Najpogosteje do nedolitosti pride zaradi prenizke temperature taline ali livarskega orodja.

Talina s prenizko temperaturo ima višjo viskoznost, kar vpliva na zapolnjevanje gravure livarskega orodja. Zaradi prenizke temperature livarskega orodja pa se talina prehitro strjuje, kar ponovno vpliva na viskoznost taline in njeno sposobnost popolnega zapolnjevanja gravure livarskega orodja. Med pogoste vzroke za nedolitost lahko uvrščamo tudi neustrezno nastavljene parametre krivulje strela.

Manj pogosti vzroki za nedolitost pa so povezani s konstrukcijo livarskega orodja. Vzroki za nedolitost so lahko povezani s slabim odzračevanjem livarskega orodja in slabo postavitvijo oddušnikov, prav tako so lahko vzroki povezani s slabo konstrukcijo dolivnega sistema. Navsezadnje je lahko vzrok za nedolitost tudi slaba konstrukcija izdelka in slaba izbira mesta dolivne reže za polnjenje livne votline livarskega orodja [15].

Slika 2.18: Primer popolno dolitega (levo) in nedolitega ulitka (desno) [15]

Dvoplastnost

Na sliki 2.19 je prikazan primer pojava dvoplastnosti na ulitku. Kot je razvidno iz slike 2.19, se iz ulitka lušči vrhnja tanka plast materiala. Ta livarska napaka se pojavi na mestih, kjer se talina zaradi svoje nizke viskoznosti zgolj dotakne stene livarskega orodja in na njej ustvari tanko plast materiala, glavnina toka materiala pa se širi naprej. Pri povratnem toku taline in polnjenju gravure livarskega orodja 'za nazaj', dobimo zaradi časovnega zamika in različnih

(46)

20

temperaturnih režimov na teh mestih dve plasti materiala. Tanjša vrhnja plast materiala se pri odstranjevanju ulitka odlušči [15].

Slika 2.19: Primer dvoplastnosti na ulitku [15]

Prelitje – srh

Med livarske napake uvrščamo tudi srh, ki nastane kot posledica prelitja taline. V kolikor se livarsko orodje med procesom litja zaradi visokih tlačnih obremenitev malenkost razpre, se lahko talina prelije čez delilno ravnino livarskega orodja. Do tovrstnega prelitja in pojava srha najpogosteje pride pri delovanju naknadnega tlaka v tretji fazi livnega cikla. Do prelitja in nastanka srha pride tudi, ko je zapiralna sila livarskega stroja prenizka, ko je temperatura taline previsoka, kar vpliva na njeno viskoznost, ali ko ima livarsko orodje preveliko zračnost zaradi slabe izdelave ali dotrajanosti orodja.

Pogosto srh ni indikator slabe kakovosti ulitka in se ga lahko enostavno odstrani z operacijo obreza ali z robotskim čiščenjem. Vendar srh predstavlja največjo oviro v procesu robotizirane livarske celice, saj njegova prisotnost pogosto ovira delovanje varnostnih senzorjev za prisotnost kosa. Interferenca med srhom in varnostnim senzorjem v livarski celici pogosto vodi do nepotrebne zaustavitve procesa litja.

Slika 2.20: Primer prelitja – srha na ulitku Prelitje - srh

(47)

21

Vključki v talini

Vključki v talini so nekovinske faze in druge kovine, ki se lahko pojavijo v ulitku. Vključki v ulitku so lahko v obliki žlindre in usedlin iz taline ali materialov, ki so se ujeli iz livarskega orodja v procesu litja. Zunanje vključke, ki so vidni z očesom se lahko pri pripravi taline odstrani. Notranji vključki, kot so sulfidi, nitridi in oksidi, ki nastanejo pri kemičnih reakcijah staljene kovine z okoljem, pa so zelo majhni in za identifikacijo zahtevajo mikroskopsko povečavo.

Vključki vplivajo na mehanske lastnosti ulitka, poleg tega imajo vključki in lita kovina različen koeficient toplotnega raztezanja, zato se med strjevanjem v kovini okoli vključka pojavijo termične napetosti. Vključki predstavljajo težavo tudi pri mehanski obdelavi ulitkov, saj njihova večja trdnost povzroča povečano obrabo in lom obdelovalnih orodij [16].

Slika 2.21: Vključki v talini [17]

(48)

22

(49)

23

3 Metodologija raziskave

Kakovost ulitka je definirana na delavniški risbi z opombami in standardi, kjer so med drugim definirane tudi dovoljena maksimalna poroznost in ostale livarske napake. Na izbranem projektu je analiza izmeta serije litja pokazala, da imamo nihaje izmeta med ulitki.

Analiza stabilnosti parametrov je pokazala določene specifične variacije parametrov krivulje strela.

V procesu tlačnega litja pogosto prihaja do variacij parametrov livarskega stroja. Poznamo dva tipa variacij, naravne oz. naključne variacije in specifične variacije. Naravni vzroki variacij so osnovani na naključnih vzrokih, ki jih ne moremo identificirati. Takemu tipu variacij se ne moremo izogniti in so le te posledica majhnih razlik v procesu. Proces je pod nadzorom, če kaže samo normalne vzroke variacij. Tak proces je popolnoma stabilen in napovedljiv [18].

Specifične variacije parametrov pa so vzrok, da parametre omejimo s tehnološkimi mejami.

Možnih vzrokov za specifične variacije parametrov je veliko. Vzroki so lahko zanemarljivi oz. jih ne moremo nadzirati (npr. nihanje temperature okolice), lahko pa so vzroki specifičnih variacij resnejše narave in jih je potrebno čim hitreje odpraviti (npr. puščanje hidravličnega olja, povečano trenje livnega bata zaradi slabšega mazanja, obraba livnega bata ipd.).

Tehnološka območja parametrov krivulje strela se nastavlja ročno na uporabniškem vmesniku livarskega stroja. Zato je nastavljanje tehnoloških območij parametrov odvisno od znanja in izkušenj tehnologa litja. Ustrezna nastavitev območij je ključnega pomena, če so nastavljena tehnološka območja preozka, ulitke dobre kakovosti zavračamo, ustvarjamo dodaten izmet in manjšamo prodajo. Če pa so tehnološka območja preširoka, nevede izdelujemo ulitke, ki ne dosegajo predpisane kakovosti, povečujemo izmet, manjšamo prodajo in tvegamo reklamacijo s strani kupca. Parameter je pod nadzorom, v kolikor je znotraj svojega tehnološkega območja – znotraj tehnoloških meja.

Najpogosteje specifične variacije parametrov vplivajo na potek krivulje strela, ki neposredno vpliva na pojav poroznosti – kakovost ulitka. Zato smo se v podjetju odločili eksperimentalno preveriti kakovost ulitkov, ko so parametri krivulje strela nastavljeni na skrajnih mejah tehnoloških območij. Tako bomo z vrsto eksperimentov simulirali specifične variacije posameznega parametra in analizirali vpliv specifičnih variacij na kakovost ulitka.

(50)

Metodologija raziskave

24

Na podlagi eksperimentov bomo ugotovili, ali so meje tehnoloških območij posameznega parametra pravilno postavljene.

Teoretična krivulja strela, ki je prikazana na sliki 3.1, prikazuje hitrost livnega bata v odvisnosti od opravljene poti. S spreminjanjem parametrov krivulje strela premikamo položaj točk krivulje, kar vpliva na potek litja in končno kakovost ulitka. Na spodnji sliki 3.1 sta označeni dve pomembni točki za razumevanje vpliva sprememb parametrov na krivuljo strela. Točka 3 predstavlja pomik in hitrost 1. faze. S spreminjanjem pomika 1. faze točko 3 premikamo v horizontalni smeri, s spreminjanjem hitrosti 1. faze pa točko 3 premikamo v vertikalni smeri. Točka 5 pa predstavlja hitrost 2. faze, sprememba hitrosti vpliva na položaj točke v vertikalni smeri.

Poleg teoretične krivulje so na sliki 3.1 prisotne še dodatne vertikalne oznake, s katerimi lažje sledimo pojavom v livni komori in livarskem orodju.

Pojasnilo vertikalnih oznak na sliki 3.1:

- s HOL – konec odprtine za ulivanje,

- s M100 – popolna zapolnjenost livne komore, - s MA – nivo taline na livni reži,

- s Ov – nivo taline na reži oddušnega sistema, - s F fin – konec pomika litja,

- L M activ – aktivna dolžina litja.

Vpliv posamezne spremembe parametra na krivulji strela bo natančneje predstavljen v poglavju Rezultati.

Slika 3.1: Teoretična krivulja strela Točka 5

Točka 3

(51)

25

3.1 Izdelek in kakovost ulitka

Končni izdelek obravnavanega projekta je ohišje vodne črpalke, ki se ga vgrajuje v avtomobile z motorjem z notranjim izgorevanjem. Zato je kakovost ulitka ključnega pomena. V spodnji preglednici 3.1 so zapisane glavne dimenzije in masa ulitka.

Preglednica 3.1: Glavne dimenzije in masa ulitka

Glavne dimenzije ulitka 218 mm x 169 mm x 67,4 mm

Masa ulitka 1,044 kg

Najpogostejša livarska napaka, ki je tudi v tem primeru najbolj vplivala na kakovost, je plinska poroznost. Glavni zahtevi glede kakovosti ulitka sta brezhibna zunanjost ulitka na tesnilnih površinah (brez livarskih napak), katerih funkcija je preprečevanje puščanja hladilne tekočine avtomobila, in minimalna poroznost v kritičnih conah, ki služijo kot sedišča strojnih elementov.

Na spodnji sliki 3.2 je prikazan ulitek, na katerem sta označeni kritični območji, ki imata strogo zahtevo glede plinske poroznosti. Kritično območje, na sliki 3.2 označeno z rdečo barvo (okrog največje luknje), ima dovoljeno maksimalno velikost posamezne plinske pore 0,6 mm, rumeno območje (območje zgoščevalca) pa 0,4 mm. Druga področja ulitka imajo dovoljeno maksimalno velikost plinske pore do 4 mm, zato jih imamo za manj kritična.

Poroznost ulitka bomo analizirali z rentgensko analizo in jo vrednotili po standardu ASTM E505. Na podlagi preglednice 3.4 lahko kritični območji omejimo z ASTM nivojem 1, ostala manj kritična območja pa z ASTM nivojem 3. Uporabljeni standard in rentgensko analizo bomo podrobneje predstavili v poglavjih 3.4.1 in 3.4.2.

Slika 3.2: Kritični območji ulitka ohišja vodne črpalke

20 mm

(52)

26

3.2 Aluminijeva zlitina

Za visokotlačno litje ohišja vodne črpalke se uporablja aluminijevo zlitino, legirano z elementoma silicija in bakra AlSi9Cu3, poznano tudi pod drugim, bolj komercialnim imenom Siluminij.

Zlitina AlSi9Cu3 je najpogosteje uporabljana za visokotlačno litje zapletenih tankostenskih ulitkov z visokimi zahtevami dinamičnih obremenitev. Odraža se po nizki gostoti, visoki dimenzijski stabilnosti in dobri livnosti [19]. Zaradi vsebnosti večjega deleža bakra ima omenjena zlitina slabšo korozijsko odpornost kot sorodna zlitina AlSi12Cu1. Lastnosti aluminijevih zlitin in primerjave med njimi so natančneje predstavljene v poglavju 2.3.

Za doseganje predpisane kakovosti v podjetju dnevno analizirajo kemijsko sestavo aluminijeve zlitine. Talivec dnevno pripravi posebne vzorce zlitine, ki jih v laboratoriju za metalurgijo natančno analizirajo. Z analizo kemijske sestave se preveri, ali je vsebnost legirnih elementov v zlitini znotraj predpisanih meja ter ustreznost po evropskem standardu.

V kolikor so rezultati kemijske analize ustrezni, se lahko proces tlačnega litja nadaljuje. V spodnji preglednici 3.2 je prikazana kemijska sestava uporabljene zlitine po standardu 1706:2010 EN AC46000.

Preglednica 3.2: Kemijska sestava zlitine AlSi9Cu3 po standardu 1706:2010 EN AC46000 [20]

Kemijska sestava zlitine Masni delež elementa v %

Al 79,7 – 90

Si 8,0 – 11

Cu 2,0 – 4,0

Fe 0 – 1,3

Zn 0 – 1,2

Mg 0,050 – 0,55

Mn 0 – 0,55

Ni 0 – 0,55

Pb 0 – 0,35

Ti 0 – 0,25

Cr 0 – 0,15

Sn 0 – 0,15

Drugo 0 – 0,25

3.3 Livarski stroj

Eksperimente smo izvajali na horizontalnem livarskem stroju s hladno komoro znamke Buhler. Tovrstni livarski stroji so eni izmed najpogosteje uporabljenih livarskih strojev v evropski livarski industriji [21].

Uporabljeni livarski stroj znamke Buhler, na katerem smo izvajali teste, spada v družino livarskih strojev Carat. Tovrstni livarski stroji s hidravličnim zaklepom in pomikom

(53)

27 premične mize so namenjeni litju velikih in kompleksnih ulitkov, ki dosegajo visoke zahteve kakovosti. Fleksibilno zasnovana Buhlerjeva tehnologija omogoča precizno nastavljanje livarskih parametrov za doseganje zahtevanih specifikacij ulitka [21].

Izvedb livarskih strojev je veliko in se med seboj razlikujejo po specifikacijah. Princip delovanja pa je v večini primerov zelo podoben. Glavne lastnosti oz. specifikacije livarskega stroja so zapiralna sila zapiralnega dela, dimenzije vpenjalne mize, maksimalna razdalja med razprtima mizama, razdalje med vpenjalnimi drogovi, maksimalna sila in pomik izmetalnega sistema ter masa in dimenzije livarskega stroja. Specifikacije livarskega stroja pogojujejo maksimalno velikost livarskega orodja, ki neposredno pogojuje maksimalno velikost ulitka, ki ga lahko ulivamo [21]. Specifikacije uporabljenega stroja so prikazane v spodnji preglednici 3.3.

Preglednica 3.3: Splošne specifikacije livarskega stroja [21]

Tip stroja Buhler Carat 140

Maksimalna zapiralna sila [kN] 14 000

Dimenzije vpenjalne mize [mm] 1780 x 1780

Maksimalna razdalja med mizama [mm] 1100

Razdalja med drogovi [mm] 1100 x 1100

Vpenjalna višina orodja [mm] 640 – 1300

Sila izmetalnega sistema [kN] 400

Pomik izmetalnega sistema [mm] 220

Masa stroja [kg] 63 000

Dimenzije stroja [m] 10,1 x 4,0 x 4,44

3.4 Merjenje poroznosti

Na podlagi rentgenskih posnetkov smo lahko s pomočjo računalniškega programa velikost poroznosti v posamezni coni natančno pomerili. Za vrednotenje poroznosti v kritičnih conah smo uporabili standard za vrednotenje poroznosti z radiografijo.

Standard za vrednotenje poroznosti z radiografijo ASTM E 505

Poroznost v vzorcih smo vrednotili po standardu ASTM E 505. Standard ASTM E 505 je standard za vrednotenje livarskih napak z radiografijo, predvsem krčilne in plinske poroznosti, ki se pojavijo v ulitku pri visokotlačnem litju aluminijevih in magnezijevih zlitin [22].

Standard vsebuje referenčne radiografije posamezne livarske napake v štirih nivojih intenzitete. Na podlagi primerjave referenčnih radiografij z radiografijami opazovanega vzorca, lahko vzorcu določimo nivo intenzitete prisotne napake [22].

(54)

28

Standard zajema štiri kategorije livarskih napak:

- kategorija A – plinska poroznost, - kategorija B – hladni zvar, - kategorija C – krčilna poroznost, - kategorija D – vključki v zlitini [22].

Štiri nivoji intenzitete napake so za kategorijo A prikazani na sliki 3.3. Premer posameznega kroga je 30 mm.

Slika 3.3: Referenčne radiografije za kategorijo A – plinska poroznost [22]

Pri določanju nivoja intenzitete napake posamezno cono opazovanega vzorca primerjamo z referenčnimi radiografijami. V primeru, da je na opazovanem območju prisotnih več nepravilnosti, smo pri primerjanju radiografij pozorni na velikost posamične nepravilnosti in skupno površino, ki jo nepravilnosti zavzemajo ter na razdaljo med njimi [22].

Z upoštevanjem enega ali kombinacije več zgoraj naštetih kriterijev vrednotenja napake lahko območju na ulitku dodelimo nivo intenzitete napake. V preglednici 3.4 so prikazane mejne vrednosti velikosti pore plinske poroznosti za vsak ASTM nivo [22].

Preglednica 3.4: Velikost maksimalne pore plinske poroznosti glede na ASTM E505 nivo ASTM nivo Maksimalna velikost plinske pore [mm]

1 ≤ 0,6

2 ≤ 1,5

3 ≤ 3,0

4 ≤ 5,0

(55)

29

Rentgenska analiza vzorcev

Preiskave materialov in izdelkov z rentgenskimi (X) in gama (γ) žarki imenujemo s skupnim imenom radiografija. Radiografija spada v skupino neporušnih metod preizkušanja materialov, strojnih elementov in izdelkov [23].

Pri industrijskih radiografskih preiskavah uporabljamo ionizirajoče sevanje, ki je elektromagnetno valovanje visokih energij s kratkimi valovnimi dolžinami. Sevanje ustvarja izvor z X žarki ali radioaktivni izvor z gama žarki. Glavni namen industrijskih radiografskih preiskav je odkrivanje volumetričnih napak v notranjosti materiala ali izdelka brez porušitve preizkušanca. Pri industrijskih radiografskih preiskavah ugotavljamo intenziteto sevanja po prehodu skozi preizkušanec, da dobimo radiografski posnetek [23].

Na spodnji sliki 3.4 je shematsko prikazan princip zajemanja posnetkov volumetričnih napak z rentgensko analizo.

Slika 3.4: Shematski prikaz delovanja radiografije; prirejeno po [23]

Pred izvedbo rentgenske analize smo vsak ulitek opremili z jekleno kroglico premera 5 mm.

S pomočjo rentgenske analize smo vsak ulitek pregledali in zajeli rentgenske posnetke posameznega ulitka. Jeklena kroglica poznanega premera, ki je vidna na sliki, nam je pri izvajanju meritev služila kot referenčno merilo. Na podlagi rentgenskih posnetkov smo lahko s pomočjo računalniškega programa in referenčnega merila natančno izmerili velikost poroznosti, ki se je pojavila v različnih conah posameznega ulitka.

Na sliki 3.5 je prikazan primer rentgenskega posnetka enega od analiziranih vzorcev.

(56)

30

Slika 3.5: Rentgenski posnetek plinske poroznosti v ulitku – vzorec št. 7

3.5 Določitev eksperimentov po metodi OVAT

Nastavitve parametrov posameznega eksperimenta smo določili po metodi OVAT. Pri omenjeni metodi spreminjamo vrednost enega parametra, druge parametre pa fiksiramo na srednji vrednosti. Z uporabo te metode lahko natančno prikažemo, kako se sprememba posameznega parametra odraža na kakovosti ulitka [24].

Za izvedbo eksperimentov smo izbrali pet glavnih livarskih parametrov, katerih sprememba neposredno vpliva na pojav poroznosti in končno kakovost ulitka.

Vsak parameter smo za izvedbo eksperimenta nastavili na spodnjo mejo tehnološkega območja in zgornjo mejo tehnološkega območja ter na privzeto nastavitev parametra, ki pri uporabi sledeče metode predstavlja srednjo vrednost.

Tako smo za vsak parameter izvedli tri eksperimente z različnimi nastavitvami parametra.

V spodnji preglednici 3.5 so zapisane nastavitve parametrov za posamezen eksperiment. Kot je iz spodnje preglednice 3.5 razvidno, smo skupno izvedli 15 različnih eksperimentov.

5,5 mm

(57)

31 Parametri:

- pomik 1. faze – s1,

- hitrost 1. faze – v 1,

- hitrost 2. faze – v 2,

- zakasnitev 3. faze – ∆t3,

- zakasnitev delovanja sistema za lokalno zgoščevanje – ∆tzgo.

Preglednica 3.5: Nastavitev parametrov za posamezen eksperiment Sprememba Št. eks s1

[mm] v 1

[m/s] v 2

[m/s] ∆t3

[ms] ∆tzgo [s]

Pomik 1. faze 250 mm 1 250 0,6 5,3 12 4

Pomik 1. faze 300 mm 2 300 0,6 5,3 12 4

Pomik 1. faze 350 mm 3 350 0,6 5,3 12 4

Hitrost 1. faze 0,5 m/s 4 300 0,5 5,3 12 4

Hitrost 1. faze 0,6 m/s 5 300 0,6 5,3 12 4

Hitrost 1. faze 0,7 m/s 6 300 0,7 5,3 12 4

Hitrost 2. faze 4,3 m/s 7 300 0,6 4,3 12 4

Hitrost 2. faze 4,8 m/s 8 300 0,6 4,8 12 4

Hitrost 2. faze 5,3 m/s 9 300 0,6 5,3 12 4

Zakasnitev 3. faze

10 ms 10 300 0,6 5,3 10 4

Zakasnitev 3.faze

100 ms 11 300 0,6 5,3 100 4

Zakasnitev 3. faze

150 ms 12 300 0,6 5,3 150 4

Zakasnitev zgoščevalca

3 s 13 300 0,6 5,3 12 3

4 s 14 300 0,6 5,3 12 4

5 s 15 300 0,6 5,3 12 5

(58)

32

3.6 Izvedba eksperimentov

Po planiranem načrtu eksperimentov sledi njihova izvedba v proizvodnji. Eksperimente smo izvedli v isti livarski celici pri enakih pogojih perifernih naprav. Prav tako je bila temperatura livarskega orodja in aluminijske taline konstantna. Litje ulitkov smo izvedli po načrtu eksperimentov, ki je prikazan v preglednici 3.5. Po vsaki nastavitvi eksperimenta smo počakali tri strele, da se parametri krivulje strela stabilizirajo.

Vsak ulitek mora pred embaliranjem prestati očno kontrolo kakovosti. Očna kontrola kakovosti je prvi korak k uspešnemu zagotavljanju kakovosti, saj se z njo takoj izloči ulitke s prisotnimi livarskimi napakami. Redno spremljanje kakovosti ulitkov livarju omogoča vpogled v delovanje procesa, ulitek z livarskimi napakami pa ga opozori na morebitna odstopanja v procesu litja.

Po opravljeni očni kontroli smo vse vzorce označili z zaporedno številko eksperimenta in jih pripravili na rentgensko analizo.

Slika 3.6: Strel ohišja vodne črpalke

(59)

33

4 Rezultati

Na podlagi rentgenske analize poroznosti v ulitkih smo rezultate meritev posamezne cone ovrednotili z uporabo standarda ASTM E505 in posamezno cono umestili v pripadajoči ASTM E505 nivo. Rezultati vrednotenja poroznosti vseh eksperimentov so prikazani v preglednici 4.1.

Na spodnji sliki 4.1 je prikazan diagram koncentracije napak, na katerem so označene cone, v katerih se je v ulitkih pri vseh eksperimentih pojavila poroznost. Diagram na sliki 4.1 omogoča bralcu lažji pregled nad rezultati iz preglednice 4.1.

Slika 4.1: Diagram koncentracije napak po conah