Könnyűfémek a járműiparban

Az előadások a következő témára: "Könnyűfémek a járműiparban"— Előadás másolata:

1 Könnyűfémek a járműiparban
Korszerű anyagok és technológiák, M.Sc. 2015

2 Könnyűfémötvözetek típusai
Öntészeti Alakítható Nem neme-síthető Nemesíthető

3 Konkrét példa túltelített oldatokból történő kiválási folyamatokra
Kiválásos keményedés - Al –ötvözetekben: itt több lépcsős a kiválási folyamat !

4 Mi minden készül Mg –alapú ötvözetekből?
Al-Mg ötvözetből készült motorblokk

5 Nemcsak a járműipar használja
Magnéziumból gyártott alkatrészek

6 A Mg termelése és az előállítási kapacitás eloszlása a világ országai között

7 A Mg legfontosabb tulajdonságai
Általános tulajdonságok Vegyjel 12 Elemi sorozat alkáli földfémek Csoport, periódus mező 2,3,s Atömtömeg 24,305 g/mol Mágnesesség paramágneses Fizikai tulajdonságok Halmazállapot szilárd Sűrűség ρ=1,738 g/cm3 Young modulus E = 45 Gpa Olvadáspont 650°C (923 K ) Forráspont 1090°C (1363 K) Olvadáshő 8,48 kJ/mol Párolgáshő 128kJ/mol Égéshő 25,2 MJ/kg Atomi tulajdonságok Kristályszerkezet hexagonális Ionizációs energiák (1,2,3) 1 : 737,7 kJ//mol 2 : 1450,7 kJ/mol 3 : 7732,7 kJ/mol

8 Az ötvözők Mindenütt a kiválásos folyamatok szerepelnek (akár olvadékból, akár szilárd állapotból: szekunder folyamatok).

9 Leggyakrabban alkalmazott ötvözőelemei
Betű Ötvöző A Alumínium M Mangán C Réz Q Ezüst E Ritkaföldfémek S Szilícium H Tórium W Ittrium J Stroncium X Kalcium K Cirkónium Z Cink L Lítium AZ91D (ASTM) MGAl9Zn1D (MSZ EN) Al Mn Zn Si Cu Ni Fe 8,5-9,5 0,17-0,4 0,45-0,9 0,05 0,025 0,001 0,004

10 A legismertebb ötvözet, mint szerkezeti anyag

11 Az eutektikumoknak kulcsszerepe van a szerkezeti Mg ötvözetek tervezésében

12 Az ötvözetkészítés metallurgiai folyamatai
Primer krist, és precipitációs folyamatok szerepe Mg-Alsss: Mg(Al) túltelített szilárd oldat

13 Introduction Magnesium-based hybrid materials are applied in engine componenets. Because of construction these materials with different machinability have to be cut together. During simultaneous machining the cutting edge intersects the boundary of the jointed materials. Magnesium has found its way into vehicle powertrain elements in the last few years. It is the lightest engineering metal used in this field. Most sophisticated application can be found at engine parts but manufacturers (BMW and Audi) use magnesium joined with stronger materials like sintered steel and aluminum, this construction is called hybrid material. At these surfaces materials with different machiniability have to be cut together, that means tool and technology has to be optimized for simultaneous machining. Hybrid materials contains the typical “hard-soft” boundary, which offers demanding research opportunities for cutting like chip forming mechanism and deformations during the edge intersection through the hybrid boundary. Source: EMO (2005) Source: mwerks.com (2003)

14 Introduction The BMW Mg-Al crankcase The BMW Mg-Sint bedplate
Source: mwerks.com (2003) Here can be seen the real hybrid parts of BMW. My topic is focusing on these soft-hard boundaries from point of view of cutting. BMW uses AJ62 magnesium, AlSi17 aluminium, and SD11 sintered steel casted together. Source: mwerks.com (2003) The BMW Mg-Sint bedplate

15 Introduction AIM: Economical and ecological simultaneous milling of Mg+sintered steel hybrid materials. Challanges of dry machining of Mg-SD hybrid material: Different cutting forces Optimized cutting edge material geometry Different cutting temperatures Mg chip and dust → Fire hazard Different cutting edge geometries Temperature control during machining The ecological impact is even more low if the manufacturing of the product is economical itself. This was our aim in a frame of a FP6 project. Different cutting parameter (speed) Mg: bottom limit SD11: upper limit Machine with safety concept

16 Characterization of Mg-hybrid boundary
In previous years we performed several machining experiments in order to develop an optimal tool geometry for the magnesium-based hybrid materials. The fluctuation of cutting force is a spetacular example to show the machinability difference during one tool path. In the corner you can see the hybrid specimen: magnesium block with a sintered steel cylinder. (Result of previous tool optimization experiments, presented on 24th Colloquium in Svitavy.)

17 Mg ismert előnyös tulajdonságai mellett: fokozott tűzveszélyesség
Mg ismert előnyös tulajdonságai mellett: fokozott tűzveszélyesség. Hol fordul elő veszélyhelyzet? - előállítás, megmunkálás, járműbaleseti tűzesetek.

18 Fontosabb technológiai ismeretek a Mg-tűz megelőzésére
A bomlás során magnézium oxid (MgO) nagy mennyiségű hidrogén gáz, valamint további nagy mennyiségű hő fejlődik. 1. ábra Mg reakciója gőzzel Ennél a reakciónál szükségszerű megemlíteni, hogy ha nagyon tiszta tömbi magnéziumot reagáltatunk vízzel, akkor az viszonylag csekély mértékben és csak rövid ideig mutat reakciót. Ennek oka a következő reakció egyenletben keresendő. 2. ábra Tiszta tömbi magnézium reakciója vízzel Ebben az esetben magnézium oxid helyett magnézium hidroxid keletkezik, ami egy tejszerű oldhatatlan folyadék

19 A tűz keletkezése az alkatrész tömegétől, geometriájától, a hőmérsékletétől függ

20 Fontosabb előállítási (öntési, alakítási) technológiák Mg alapú ötvözetekhez
Forrás: E.J. Vinarcik, High Integrity Die Casting Processes, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2003

21 Speciális előállítási (öntési, alakítási) technológiák Mg alapú ötvözetekhez
Számos indítéka van a különleges öntési, alakítási technológiák bevezetésének: - a fokozott munkavédelmi problémák - gazdaságossági célok - mint szerkezeti anyagot szilárdítani kell (kiválásos keményítés, alakítási keményítés, és ezeknek kombinációja

22 Kúszás jelensége lg t l = konst. T= konst. törés tR

23

24 Milyen mechanizmusok vezetnek a szilárdításhoz?

25 Az itt alkalmazott technológiák már átvezetnek a kompozitgyártási technológia területére

26 Tixo-alakítás Definíció: Tixotrópia
Fémek esetében a szolidusz és a likvidusz közötti hőmérsékleten a szilárd, összefüggő részecskék mellett folyadék fázis is jelen van. Ekkor nyugalmi állapotban az anyag még mint szilárd test viselkedik. Ha erre a vegyesfázisú anyagra nyírófeszültség hat, akkor elszakadnak a részecskék közti kötések, a viszkozitás jelentős mértékben lecsökken, és a fém mint nagyviszkozitású folyadék viselkedik. Ez a tulajdonság a tixotrópia. A tixotrópia bizonyos fémeknél, elsősorban alumínium- és magnézium-ötvözeteknél jól definiálható hőmérséklet-tartományban alakul ki. Általában a tixotrópia: (Bauer és Collins) ha egy rendszer reológiai tulajdonságai (rugalmassági modulus, folyáshatár, viszkozitás) nyíró igénybevétel hatására állandó hőmérsékleten reverzibilisen változnak, és a visszaállás ideje az alkalmazott feszültég nagyságától függ, akkor a rendszer tixotróp tulajdonságú.

27 Tixo-alakítás A tixo-alakítás folyamata (1):
1. Félkész termék (öntött rudak) gyártása: Kristályképződés irányítása elektromágneses térrel. Cél: egyenletesen finomszemcsés szövetszerkezet. 2. Félkész termék újrahevítése: A megfelelő méretre darabolt rudakat indukciuós úton a likvidusz és a szolidusz közé hevítik (az alacsonyabb olvadáspontú fázis megolvad). Ez a hevítés hozza létre a finomszemcsés szövetszerkezetetből a teljesen globulitos (gömbszemcsés) szövetszerkezet-et, amely az alakítás szempontjából a legkedvezőbb. A folyadékfázis eloszlásának egyenletesnek, a hőmérsékleti gradiensnek minimálisnak kell lennie.

28 Tixo-alakítás A tixo-alakítás folyamata (2):
3. Alakadás: A félkész termékeket - célszerűen robottal - egy a tixo alakítás igényeire kifejlesztett öntőgép (sajtológép) tartályába helyezzük. A tartályból az öntőcsatornába való átáramláskor - a jelentős keresztmetszet csökkenés miatt - nyírófeszültség ébred az anyagban. A nyírófeszültség hatására elszakadnak a gömbszemcsék közti kötések, és az anyag teljes térfogatában nagy viszkozitású folyadékká válik. Ez a tixotrópia jelensége és a tixo-alakítás névadója. A nyírófeszültség csökkenése után a viszkozitás csak jelentős időbeli késéssel nő ismét eredeti értékére. A sajtolóerő hatására a folyékony fém lamináris áramlással kitölti az előmelegített öntőformát. 4. Utómunkálás

29 Tixo-alakítás

30

31 Tixo-alakítás / Nyomásos-öntés

32 Budapest University of Technology and Economics
2nd Consortium meeting M1 25-26th of November, 2004 Barcelona 1. Workpiece materials 1. AJ62 + AlSi17 cylinder block upper and lower surface 2. AJ 62 + sintered steel lower cranckshaft bearing casing – “bed plate” 1 2 1 Figure 2 – Scheme of engine block to be machined Budapest University of Technology and Economics Department of Vehicles Manufacturing and Repairing