View
11
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
I
TLAČNO LITJE ALUMINIJA IN POJAV KAVITACIJE
diplomsko delo
Študent: Sebastijan Stegel
Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje Energetika
Mentor: Red. prof. dr. Jurij Avsec
Somentor: Doc. dr. Zdravko Praunseis
Krško, julij 2014
II
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se moji mladi družini za potrpljenje pri nastajanju diplomske naloge.
IV
TLAČNO LITJE ALUMINIJA IN POJAV KAVITACIJE
Ključne besede: aluminij, tlačno litje, kavitacija, kavitacijska erozija, napake pri tlačnem
litju
UDK: 621.74:669.71:620.193.16(043.2)
Povzetek
V diplomskem delu je predstavljen proces tlačnega litja aluminija skupaj s težavami, ki se
pri tem pojavljajo. Opisane in natančneje predstavljene so vse posamezne faze livarskega
procesa. Natančneje je opisan princip mazanja orodja, proces litja s poudarkom na tlačnih
fazah in obrobni procesi, ki potekajo pri izdelovanju ulitkov. Opisane so lastnosti in
prednosti aluminija pred konkurenčnimi materiali. Predstavljene so najpogostejše napake,
ki se pojavljajo pri tlačnem litju aluminija s poudarkom na kavitacijski eroziji. Opisane so
osnove kavitacijske teorije. Natančneje je opisan princip nastanka kavitacije pri tlačnem
litju. Na kratko je opisana raziskava, ki je bila izvedena v zvezi s preučevanjem
kavitacijske erozije, ki se je pojavljala na aluminijastem ulitku.
V
ALUMINIUM DIE – CASTING AND CAVITATION PHENOMENA
Key words: aluminium, die-casting, cavitation, cavitation erosion, die casting defects
UDK: 621.74:669.71:620.193.16(043.2)
Abstract
This thesis presents aluminium die-casting along with some problems that are involved in
it. All individual phases of die casting process are closely observed and introduced with
special emphasis on die spraying process, individual die casting phases and all others
things that are involved in castings production. Basic characteristic and advantages of
aluminium are presented. There are basic defects in this process introduced with special
emphasis to cavitation erosion phenomena including cavitation theory. Cavitation erosion
in die casting process is closely observed and explained. My research of cavitation erosion
which appeared on aluminium casting is shortly presented.
VI
KAZALO VSEBINE
1 UVOD ............................................................................................................................................... 1
2 SPLOŠNE LASTNOSTI ALUMINIJA ........................................................................................... 2
3 TLAČNO LITJE .............................................................................................................................. 4
3.1 PROCES TLAČNEGA LITJA ............................................................................................................ 5
3.1.1 Priprava taline ........................................................................................................................... 5
3.1.2 Proces mazanja orodja .............................................................................................................. 6
3.1.3 Proces litja................................................................................................................................. 8
3.1.4 Proces odvzema ulitka iz orodja .............................................................................................. 11
3.1.5 Zaključek procesa izdelave ulitka ............................................................................................ 12
3.2 ZAHTEVE ZA USPEŠNO IZVAJANJE LIVARSKEGA PROCESA ............................................. 12
3.3 NAPAKE NA ULITKIH ................................................................................................................... 13
4 KAVITACIJA ................................................................................................................................ 17
4.1 AKUSTIČNA KAVITACIJA ........................................................................................................... 19
4.2 OPTIČNA KAVITACIJA IN KAVITACIJA DELCEV ................................................................... 19
4.3 HIDRODINAMIČNA KAVITACIJA .............................................................................................. 20
4.4 VZROKI ZA NASTANEK KAVITACIJE ....................................................................................... 21
4.4.1 Vpliv hitrosti pretoka ............................................................................................................... 21
4.4.2 Vpliv oblike stene ..................................................................................................................... 22
4.4.3 Ostali vplivi ............................................................................................................................. 24
5 KAVITACIJSKA EROZIJA PRI TLAČNEM LITJU ALUMINIJA ........................................... 25
6 RAZISKAVA KAVITACIJSKE EROZIJE .................................................................................. 31
7 SKLEP ............................................................................................................................................ 36
VIRI IN LITERATURA.......................................................................................................................... 37
PRILOGE ................................................................................................................................................ 39
PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI
OSEBNIH PODATKOV AVTORJA ..................................................................................................................... 39
PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA .......................................................................... 40
VII
KAZALO SLIK
Slika 3.1: Primer aluminijastega ulitka.................................................................................. 5
Slika 3.2: Prikaz ulivanja taline v dozirno peč [12] .............................................................. 6
Slika 3.3: Mazalna glava ....................................................................................................... 8
Slika 3.4: Spreminjaje tlaka po fazah [8] .............................................................................. 9
Slika 3.5: Prikaz robotskega odvzema ulitka iz orodja po končanem procesu litja [13] ..... 11
Slika 3.6: Plinska poroznost [14] ......................................................................................... 15
Slika 3.7: Primer razpoke na ulitku [14].............................................................................. 16
Slika 4.1: Različne vrste kavitacij: (a) kavitacija potujočih mehurčkov, (b) pritrjena
kavitacija, (c) kavitacijski oblak, (d) super kavitacija, (e in f) vrtinčna kavitacija [4] ........ 18
Slika 4.2: Nastanek kavitacije na ostremu robu [2] ............................................................. 23
Slika 5.1: Kavitacijski mehurčki na aluminijastem ulitku ................................................... 25
Slika 5.2: Kavitacijska erozija na robu zavoja [15] ............................................................. 26
Slika 5.3: Kavitacijska erozija na robu zavoja [15] ............................................................. 27
Slika 5.4: Nastanek kavitacije za zavojem [15] ................................................................... 27
Slika 5.5: Nastanke kavitacije za zavojem [15] ................................................................... 28
Slika 5.6: Celoten proces nastanka kavitacije na ulitkih [15].............................................. 29
Slika 6.1: Odvzem ulitkov iz tlačnega stroja ....................................................................... 32
Slika 6.2: Slikanje ulitkov ................................................................................................... 32
Slika 6.3: Prvo področje kjer se je pojavila kavitacijska erozija, na začetku serije.
Kavitacija še ni razvita. ....................................................................................................... 33
Slika 6.4: Prvo področje kjer se je pojavila kavitacijska erozija, na koncu serije. Lepo so
vidne poškodbe, ki so posledica erozije. ............................................................................. 34
Slika 6.5 Drugo področje kjer se je pojavljala kavitacijska erozija, na začetku serije.
Kavitacija je že razvita. ....................................................................................................... 34
Slika 6.6: Drugo področje, kjer se je pojavljala kavitacijska erozija, na koncu serije.
Kavitacija ostaja v istih ploščinskih okvirih. ....................................................................... 34
Slika 6.7: Področje kjer se je kavitacija pojavila povsem na novo...................................... 35
Slika 6.8: Poškodbe na orodju, ki so nastale kot posledica kavitacijskega delovanja taline.
............................................................................................................................................. 35
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
1
1 UVOD
Tlačno litje je danes ena od najbolj razvijajočih se industrijskih aplikacij. Ves svet se
nagiba k varčevanju energije, kar se v mnogo primerih lahko doseže tudi z zmanjšanjem
teže nekega izdelka, pri čemer so izdelki iz aluminija zelo konkurenčni.
Po končanem zadnjem letniku študija, sem se po naključju znašel v podjetju, ki se ukvarja
z visoko tlačnim litjem aluminija. Takoj so me seznanili s problemom pojavljanja
kavitacije na določenih ulitkih in odločil sem se, da se bom poglobil v to tematiko, ker se
mi je zdela zelo zanimiva. Po določenem času sem spoznal, da bi vse gradivo, ki sem ga z
raziskovanjem odkril, lahko združil in predstavil v diplomski nalogi.
V svojem zaključnem delu, se bom poglobil v osnove tlačnega litja. Rad bi opisal osnove
samega procesa tlačnega litja aluminija s poudarkom na tistih stvareh, ki bi lahko vplivale
na pojav kavitacije, saj se mi zdi nujno potrebno vsaj osnovno razumevanje procesa litja
aluminija za nadaljnjo raziskovanje kavitacije. Po samem opisu procesa litja bom opisal
napake, ki se pojavljajo na ulitkih, saj je zavedanje, da je kavitacija le ena od mnogih
napak, ki se pojavljajo pri tlačnem litju aluminija, zelo na mestu.
Po osnovah litja, bom opisal osnove kavitacije in nadaljeval s pojavom kavitacije pri
tlačnem litju.
Skozi literaturo in raziskovanje v praksi, bom poskusil priti do zaključka, kaj so glavni
vzroki za nastanek kavitacije pri tlačnem litju aluminija in z omejitvami katerih parametrov
se jim lahko izognemo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
2
2 SPLOŠNE LASTNOSTI ALUMINIJA
Aluminij se je začel pojavljati kot ekonomski tekmec v industrijskih in inženirskih
aplikacijah proti koncu 19. stoletja. Razlog, da se ni kot snov uporabna za proizvodnjo
začel pojavljati že pred tem, je bil v težkem ločevanju snovi iz rude. Industrija aluminija pa
se je dokončno otvorila, ko sta Charles Martin Hall v ZDA in Paul T. Héroult v Franciji
neodvisno drug od drugega odkrila elektrolitsko redukcijo aluminijevega oksida. [5]
Lastnosti aluminija, ki ga uvršajo med elemente, ki prehajajo v vedno širšo uporabo so:
- aluminij je lahek element, njegova gostota na primer znaša eno tretjino gostote
železa,
- aluminij in njegove zlitine se nahajajo v širokem trdnostnem razponu,
- je odličen prevodnik toplote in elektrike,
- ni strupen in je npr. vsakodnevno uporabljen v kontejnerjih za prevoz hrane in
pijače,
- je material, ki ga lahko recikliramo brez večjih težav,
- ne smemo pozabiti tudi na njegov atraktiven izgled v končni obdelavi, ki je lahko
nežen in mat ali svetel in sijoč. [5]
Aluminij je tudi močno korozivno odporen. Ko je površina aluminija izpostavljena zunanji
atmosferi, se nemudoma tvori tanek nevidni oksidni sloj, ki nudi zaščito kovini pred
nadaljnjo oksidacijo. Material ostane zaščiten pred korozijo, razen v primeru, ko je
izpostavljen pogojem in substancam, ki ta zaščitni sloj uničijo. [5]
Aluminijeve zlitine, ki se uporabljajo za tlačno litje so od vseh livarskih zlitin najbolj
vsestransko uporabljane, aluminij pa je kot material prilagodljiv na dosti livarskih metod,
ki so dandanes v pogosti uporabi. Prednost aluminijevih zlitin pred ostalimi kovinami, je
občutno nižja delovna temperatura, ki se giblje med 650 °C in 760 °C. [6]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
3
Ena od najbolj uporabnih livarskih lastnosti aluminija pa je njegova majhna specifična
teža. Majhna teža aluminijevih zlitin omogoča natančno ročno ulivanje aluminija v kalup.
Poleg tega pa pri večjih ulitkih nastopajo manjši tlačni tlaki, kar posledično pomeni tudi
cenejšo in lažjo livarsko opremo. [6]
Ima pa tudi aluminij, kot vsak element pri katerem se spustimo v podrobnejšo analizo,
pomanjkljivosti. Nečistoče, ki se nahajajo v zlitini (kot na primer oksidi), so tudi sami zelo
blizu nizki specifični teži aluminija in posledično je potrebno vložiti večjo pozornost in več
truda, da bi te nečistoče med postopkom taljenja ločili od kovine, kot je to potrebno pri
težjih kovinah. [6]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
4
3 TLAČNO LITJE
»Litje je eden najstarejših in zelo pogosto uporabljenih načinov preoblikovanja kovinskih,
nekovinskih in tudi umetnih materialov. Veda, ki se ukvarja z litjem, se imenuje livarstvo
[7]«.
Livarne proizvajajo produkte, ki zadovoljujejo številna tržna področja kot so [11] :
- letalska in vesoljska tehnologija,
- gospodinjski aparati,
- avtomobilska industrija,
- konstrukcije,
- orožje,
- razsvetljava,
- telekomunikacije,
- medicina,
- šport in rekreacija,
- orodje in stroji.
»V osnovi poteka litje tako, da zlitino stalimo in jo vlijemo v livno votlino (ulivno
komoro) forme. V formi, ki ima obliko končnega izdelka, se nato kovina strdi in obdrži
njeno obliko. Poznamo več postopkov litja. Osnovna delitev tlačnega litja je delitev po
tem, kolikokrat lahko uporabimo formo, torej na litje v enkratne in trajne forme. Pri litju v
trajne forme, ki je namenjeno serijskemu litju, poznamo več podvrst. Tako je lahko litje
tlačno, centrifugalno ali kontinuirno. Pri tlačnem litju imamo kokilo, ki je trajna forma,
narejena iz orodnega jekla in ima poleg gravure z obliko ulitka še livni kanal (dolivek), in
oddušne kanale. Kokila je dvodelna, da lahko po ohladitvi iz forme ulitek izvzamemo [7]«.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
5
Slika 3.1: Primer aluminijastega ulitka
3.1 PROCES TLAČNEGA LITJA
Pri procesu izdelave ulitkov s pomočjo tlačnega litja sodeluje več naprav in procesov, ki se
med seboj izmenjujejo po določenem vrstnem redu. V nadaljevanju bom prikazal osnovni
proces tlačnega litja za izdelavo ulitkov iz aluminija.
3.1.1 Priprava taline
Prvi postopek, ki ni nepomemben je shranjevanje surovin in varno skladiščenje le-teh.
Pomembno je, da se surovine skladiščijo v suhem prostoru pri čim bolj konstanti
temperaturi.
Iz skladišča se nato prepelje material v talilnico. V talilnici se nahaja talilna peč, v katero
se preloži material, ki se v njej stali. Temperatura v talilni peči se za aluminij giblje med
720 °C in 750 °C. Talino se neprestano kemijsko nadzoruje, da ustreza specifikacijam, ki
so zahtevane za določen končni produkt. Ko je talina pripravljena, se jo razvozi do
posameznih tlačnih strojev v proizvodnji, kjer se jo nato vlije v peč. Peč, ki deluje na
principu ustvarjanja nadtlaka, preko dozirnega sistema med procesom litja dovaja določeno
količino taline v orodje. Količina taline je predpisana za vsak posamezen ulitek. [7]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
6
Slika 3.2: Prikaz ulivanja taline v dozirno peč [12]
3.1.2 Proces mazanja orodja
Prvi pravi proces, ki poteka na livarskem stroju, je proces mazanja. Pri tem procesu nam
mazalna glava, ki je dodatno integrirana na robota, oziroma je pritrjena na namenski
mazalni stroj, skozi specialne ventile pod visokim tlakom spušča premaz na orodje, ki se
pred tem razpre. Samo mazanje je eden od pomembnejših dejavnikov pri samem procesu
izdelave visoko tlačnih ulitkov.
Mazanje pomičnega in stabilnega dela orodja ima več funkcij. Vsi pogoji, ki jih mora
mazanje orodja oziroma gravure zadovoljiti, so enakovredni in v kolikor eni zahtevi ni
zadoščeno, je celotni proces mazanja neučinkovit. Prvi pogoj, ki mu mora mazanje gravure
zadostiti, je ustvarjanje mikrofilma med gravuro in ulitkom, kar nam omogoča odvzemanje
ulitka iz orodja, brez, da bi se talina prijela na orodje. Drugi pogoj, ki nam omogoča
kakovostne izdelke in zmanjšuje možnosti nastanka določenih napak na ulitkih, ki jih bom
kasneje opisal, je hlajenje gravure s pomočjo mazalnega sistema. Tretji pogoj je v močni
povezavi s prejšnjim, to je možnost regulacije temperature gravure. Vsako orodje je
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
7
projektirano na določeni obratovalni temperaturi, ki se na površini gravure giblje med
približno 150 °C in 300 °C. Določeni deli gravure se nam lahko iz zelo različnih vzrokov
pregrevajo oziroma so podhlajeni. Z nastavitvijo ventilov na mazalni glavi, kjer lahko
količino premaza povečamo oziroma zmanjšamo, lahko ta temperaturna odstopanja
uspešno odpravimo.
Z mazanjem lahko celoten livarski proces stabiliziramo in ga napravimo bolj togega, kar se
nam odrazi v kvalitetnejših izdelkih, manj zastojih in boljšem ekonomskem izkupičku.
V livarnah so v ospredju trije osnovni principi mazanja orodij:
- Mazanje orodja z vodotopnim premazom. Pri tem principu imamo mazalno glavo,
na kateri so posebni ventili. Skozi te ventile izstopa s pomočjo zračnega tlaka
premaz, ki ga prek cevi dovedemo iz mešalne baterije. V mešalni bateriji, ki stoji
pred livarskim strojem, nam namenska črpalka meša koncentrat ki ga dodajamo v
baterijo z vodo, v različnih razmerjih. Ta razmerja se gibljejo med približno 1 : 30
do 1 : 85 za razmerje koncentrat : voda. Poraba zmesi vode in koncentrata za eno
mazanje se giblje, odvisno od velikosti gravure, med 0,2 in 3,0 litra na strel.
- Mazanje orodja z mikro mazanjem. Pri tem mazanju nimamo mešalne baterije, pač
pa imamo jeklenko s koncentratom v kateri je nadtlak. Za mazanje gravure
uporabimo samo koncentrat, ki ga ne mešamo z vodo. Prednost tega principa
mazanja pred vodotopnim principom je v zelo majhni porabi premaza, ki se giblje v
razredu nekaj mililitrov. Slabost pa je ta, da s tako majhno količino premaza težje
hladimo orodje, zato mora biti že konstrukcijsko drugače zasnovano.
- Mazanje orodja z elektrostatiko. Pri tej vrsti mazanja uporabljamo posebno olje, ki
je kar precej dražje od zgoraj opisanih premazov. Sam sistem je na meji
ekonomičnosti, vendar pa omogoča najbolj stabilno delovanje celotnega procesa
litja, zato se nam obrestuje skozi manjše število popravil in manj zastojev stroja.
Sistem deluje s pomočjo posebnih razpršilnih šob, ki premaz, ko pride skozi šobe
naelektrijo z obratnim nabojem, kot je naelektreno orodje na stroju, kar omogoča
optimalno razpršitev premaza po celotni gravuri. Poraba za eno mazanje je pri
elektrostatiki še manjše kot pri principu z mikro mazanjem.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
8
Za tem, ko mazalna glava namaže gravuri na pomični in stabilni strani, se orodje zapre in
prične se proces litja.
Slika 3.3: Mazalna glava
3.1.3 Proces litja
S trenutkom, ko je talina vlita v ulivno komoro, se začne dejanski proces tlačnega litja, ki
je razdeljen na tri faze, na katere pomembno vplivajo sama dolžina tlačne komore, hitrost
tlačnega bata in časovna zamaknjenost zadrževalnega tlaka. S pomočjo teh parametrov
določimo hitrost polnjenja gravura in še pred tem potek približevanja taline vlivni reži. [8]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
9
Slika 3.4: Spreminjaje tlaka po fazah [8]
Prva faza pomeni počasen hod bata, da talina zapolni tlačno komoro in doseže ulivno režo.
Začne se s pospeševanjem bata do določene hitrosti prve faze in se nadaljuje s konstantno
hitrostjo ali rahlo pospešeno do ulivne reže. Hitrosti bata v prvi fazi se gibljejo med 0,2 m/s
in 0,5 m/s. [8],[7]
»Zaradi hitrega hlajenja taline v tlačni komori je zaželeno, da je pot prve faze čim krajša.
To dosežemo z izbiro krajših tlačnih komor in večjim premerom bata« [8]. Takšna izbira
ima številne prednosti. Ena od pomembnih prednosti je ta, da lahko z batom večjega
premera dosežemo isto hitrost na ulivni reži z manjšo hitrostjo bata, kar se odrazi v manjši
kinetični energiji, ki jo prevzame orodje. Orodje se na ta način počasneje obrablja in ima
daljšo življenjsko dobo. [8]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
10
Ena od zelo pomembnih stvari, na katero je treba biti pozoren v prvi fazi litja je izbira
prave hitrosti bata. S pospeševanjem, bat pred svojo ploskvijo potiska val taline. Višina
vala se med pospeševanjem dviga, za tem pa talina z enakomerno hitrostjo zapolni
komoro. Če bi proces prve faze potekal idealno, bi talina na koncu prve faze povsem
zapolnila tlačno komoro, s čimer bi se izpodrinila nezaželen zrak in vlaga, ki povzročata
predvsem težave z zračno poroznostjo. Hitrost pri kateri polnjenje prve faze poteka
idealno, imenujemo kritična hitrost. [8]
Druga faza tlačnega litja predstavlja polnjenje gravure. Hitrosti bata v drugi fazi so precej
višje kot v prvi fazi in se gibljejo med 2,00 m/s in 5,50 m/s. Idealno je, da je polnjenje
gravure enakomerno do popolne zapolnitve, do česar pa pridemo s tem, da dosežemo
kritično hitrost taline tik pred ulivno režo. V neidealnih primerih se lahko zgodi da [7],[8]:
- Dosežemo kritično hitrost prehitro, oziroma predaleč od ulivne reže. V tem primeru
dejanska hitrost bata preseže hitrost, ki je nastavljena. Bat se v tem primeru
upočasni, ker poskuša stroj napako odpraviti.
- Dosežemo kritično hitrost prepozno, oziroma jo ne dosežemo, saj talina že pred
dosegom kritične hitrosti doseže ulivno režo. Stroj v tem primeru le s težavo
odpravi napako, najpogostejši končni izid tega pa so slabo zaliti kosi.
V obeh primerih prihaja do nihanja hitrosti taline česar si pri kontinuiranem procesu nikoli
ne želimo in kar se posledično odraža v moteni stabilnosti procesa in v vprašljivi kvaliteti
ulitkov. [8]
Če se je temperatura že v prvi fazi precej znižala in je poleg tega še druga faza prepočasna
se pojavijo na ulitkih številne napake kot so na primer dvoplastnost, nezalitost in
poroznost. Eden od vzrokov za naštete napake je ta, da se talina, še preden je v celoti
končan proces polnjenja na nekaterih delih ulitka že strdi. [8]
Tretja faza je faza, v kateri se talino dodatno stiska. Namen dodatnega stiskanja je
zapolnitev skrčka taline pri ohlajanju. Faza nastopi po koncu druge faze, po zaustavitvi
bata.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
11
Pomembna lastnost druge faze je visok dvig tlaka, ki je razdeljen na dve stopnji [8]:
- V prvi stopnji se končni tlak doseže s tlakom dušika v akumulatorju. Ta tlak dušika
pri batih večjih premerov ne zadošča, zato se lahko pojavijo težave na ulitkih.
- V drugi stopnji pa končni tlak dosežemo s pomočjo zakasnitve tlaka dušika v
multiplikatorju. Ti tlaki dosegajo tudi do 1500 barov.
Po končani tretji oziroma zadnji fazi litja sledi strjevanje. Čas strjevanje je zelo različen in
je odvisen predvsem od velikosti ulitka. Ko je strjevanje končano se orodje odpre. Med
odpiranjem orodja livni bat porine odlitek na pomično stran orodja, kjer ga izmetači
porinejo iz gravure. [8]
3.1.4 Proces odvzema ulitka iz orodja
V večjih in moderniziranih tlačnih livarnah ulitek, ki ga izmetači izrinejo iz orodja prime
robot in ga, odvisno od vrste ulitka, odnese do obrezilnega orodja, k livarju oziroma ga
odloži na mesto, od koder se ulitke odpremi.
Odvzem ulitka iz orodja je najhitrejše opravilo, vendar če ga ne opravi robot s prirejenimi
prijemali, je lahko to za človeka tudi zelo nevarno opravilo, saj obstaja velika možnost
opeklin, ureznin in drugih poškodb. [8]
Slika 3.5: Prikaz robotskega odvzema ulitka iz orodja po končanem procesu litja [13]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
12
3.1.5 Zaključek procesa izdelave ulitka
Ko ulitki na stroju pridejo iz obrezilnega orodja (štance), kjer se jim odstrani dolivek in
oddušniki, jih livar pregleda in zloži v škatle. Po želji naročnika gredo izdelki tudi skozi
peskalni stroj ali roto-finiš. Če ima naročnik dodatne želje, se jim na oddelku obdelave
lahko na primer doda navojne luknje oziroma doda ali odvzame kakšno drugo
karakteristiko, sicer pa se izdelki zatem prepeljejo v glavno skladišče. Ko oddelek kontrole
ulitke pregleda in odobri, so pripravljeni na prevzem kupca oziroma prevoz do njega in s
tem je zadnji proces izdelave aluminijastih ulitkov končan.
3.2 ZAHTEVE ZA USPEŠNO IZVAJANJE LIVARSKEGA PROCESA
Jasno je, da je za uspešno izvajanje katerega koli industrijskega procesa potrebno
upoštevati več zahtev, preden začnemo proizvajati dober in ekonomično upravičen
proizvod in tlačno litje prav tako ni izjema. Na tem mestu so izpostavljene tri zahteve, ki
imajo visoko pomembnost in te tri zahteve so [10]:
- s čim manj zastoji in okvarami delujoči livarski stroj, ki mora biti primerno
načrtovan in izdelan, da lahko drži in deluje z orodjem pod tlakom,
- primerno načrtovano in izdelano tlačno orodje,
- primerna zlitina.
Vse tri napisane zahteve se morajo obravnavati kot eno, ne ločeno. Livarski proces bo
nemoteno potekal, le če bo zadoščeno vsem trem zahtevam. [10]
Uspešna proizvodnja ulitkov iz aluminija poleg zgoraj naštetih zahtev v določenih primerih
potrebuje še nizko cenovno postrojenje, opremo, ki lahko zadovolji visoko številčno
proizvodnjo, obrat, ki lahko izvaja mehansko, kemično ali organsko zaključno stopnjo
obdelave, postroj za hitro pa vendar učinkovito nadzorovanje izdelkov in pa seveda
inženirje, metalurge in tehnike, ki so visoko usposobljeni za delo v livarni in učinkovito
koordinirajo celoten livarski proces. Vse zgoraj opisane dejavnike je treba redno
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
13
nadzorovati in servisirati v območjih omejitev, ki so postavljene s standardi in jih držati
znotraj predpisanih specifikacij. [10]
3.3 NAPAKE NA ULITKIH
Tlačno litje aluminija se dogaja pri ekstremnih pogojih. Kompleksnost ulitkov vodi do
kompleksnih orodij. Visoka zahtevana produktivnost, ki doseže tudi 120 ulitkov na uro,
zahteva visoke polnilne hitrosti taline. Strjevanje taline nastopi v nekaj sekundah, to
pomeni, da pride talina s visoko temperaturo (okoli 700 °C) v stik z orodjem, čez nekaj 10
sekund pa je ulitek že na sobni temperaturi. Zaradi teh in še številnih drugih razlogov
predstavlja tlačno litje aluminija proces, pri katerem so odpovedi orodij in napake na
končnih proizvodih nepogrešljiv del vsakdana. V normalnih pogojih se pri procesu
povprečno ustvari med 5% in 10 % ulitkov z napako, ki predstavljajo odpad. [9]
Pri procesu tlačnega litja prihaja do številnih napak, ki so lahko vidne na samem orodju, na
ulitkih, ali pa v najslabšem primeru na orodju in ulitkih. Kupca napaka na orodju načeloma
ne zanima, vse dokler so ulitki, ki mu jih podjetje dobavlja kvalitetni in brezhibni. Podjetja
vlagajo velike napore za rešitve napak, ki se pojavljajo na produktih, vendar se lahko
večino teh napak kljub stalnemu trudu dolgoročno le omeji, ne more pa se jih trajno
odstraniti iz proizvodnega procesa. Gledano iz tega zornega kota, bom v naslednjih
vrsticah poskušal zajeti in na kratko opisati najpogostejše napake na ulitkih, ki so
vsakodnevni pojav v vseh livarnah.
Klasificiranih in opisanih je več kot 50 napak na ulitkih. V grobem jih lahko razdelimo v
tri večje skupine [9]:
- Napake, ki se nahajajo znotraj ulitkov,
- geometrijske napake,
- napake na zunanji površini ulitkov.
Napake, ki se pojavljajo znotraj ulitkov, se najpogosteje preverja z rentgenom oziroma z
ultrazvokom. Med pogostejše napake, ki se pojavljajo v materialu znotraj ulitka spada
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
14
poroznost materiala. Poroznost materiala so prazni prostori oziroma prostori napolnjeni z
zrakom znotraj ulitka. Poroznost že vse od prvih začetkov tlačnega litja pa vse do danes
predstavlja še vedno težak problem v livarski industriji, ki še vedno ni popolnoma rešljiv.
Poroznost materiala, lahko razdelimo na dve vrsti poroznosti, iz katerih izhaja več podvrst,
ki se med seboj razlikujejo po malenkostih. [9]
»Prva vrsta poroznosti je strjevalna poroznost. Produkt strjevalne poroznosti imenujemo
tudi lunker. Lunkerji nastanejo zaradi krčenja materiala med strjevanjem, kot posledica
ohlajanja. Ulivanje ulitkov brez lunkerjev je mogoče, če so izpolnjeni trije pogoji:
- Strjevalna fronta v livni votlini se mora pomakniti proti livni zarezi. To pomeni, da
se morajo od livne zareze bolj oddaljeni deli ulitka strditi prej, predel bliže livne
zareze pa kasneje. Običajno je pojav lunkerjev povezan z obliko ulitkov in s
položajem livne zareze.
- V livnem stanju mora ostati talina tekoča vsaj tako dolgo, kot v livni votlini, če ne
še dlje. To pa ni mogoče pri ulitkih, ki imajo v primerjavi z debelino sten ulitka
relativno tanko livno zarezo. Pri ulitkih, ki naj ne bi vsebovali lunkerjev, mora biti
debelina livne zareze relativno velika.
- V livnem sistemu in livni komori mora biti dovolj taline za napajanje ulitka.
Praviloma se že v hladni livni komori strdi omembe vreden delež, ki kasneje ni na
voljo za napajanje ulitka. Toploto iz taline odvaja livni bat, ki je običajno izdelan iz
zlitine z visoko toplotno prevodnostjo, razen tega so vodno hlajeni tudi livna
komora in sestavni deli forme. [8]«
Druga vrsta poroznosti pa je plinska poroznost. Plinsko poroznost predstavljajo majhni
sferični žepki znotraj ulitka. Površina teh žepkov je ne oksidirana in ravna. Podvrste
plinske poroznosti so definirane po mediju, ki je ujet v mehurčkih, torej poznamo plinsko
poroznost, v kateri je lahko ujet zrak, pogosto pa tudi vodik, para ali pa premaz, s katerim
mažemo gravuro. [9]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
15
Slika 3.6: Plinska poroznost [14]
Poleg zgoraj opisanih poroznosti obstaja še veliko napak, ki se pojavljajo znotraj ulitka kot
so vključki (trdi delci oziroma filmi v notranjosti ulitka, ki dostikrat povzročajo težave na
obdelavi, zaradi njihove visoke trdnosti), nezaželena struktura materiala (je lahko posledica
ostanka materiala iz prejšnje serije, ki je pomotoma ostal v orodju in povzroča,
nehomogenost v notranji strukturi ulitka) in pa toplotne razpoke ( razpoke znotraj ulitka, ki
so lahko dolge med 10 µm in nekaj milimetri). [9]
Napak, ki sodijo v geometrijsko skupino je manj, kot v ostalih dveh skupinah. Pri tej vrsti
napak gre predvsem za dimenzijska odstopanja (mejne vrednosti ulitka so izven toleranc)
in za nezalitost (ulitek ni v celoti dokončan, lokalno manjka navadno manjši del ulitka). [9]
Napak, ki se pojavljajo na površini ulitka je zelo veliko. V primerjavi z napakami, ki se
nahajajo znotraj ulitkov, za odkrivanje napak na površini ne potrebujemo zapletenih
postopkov in naprav, ampak je v večini primerov dovolj že poglobljen vizualni pregled.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
16
Slika 3.7: Primer razpoke na ulitku [14]
Pogoste napake so odrgnjenost (vzrokov za odrgnjenost je veliko), pojav lis na površini (v
večini teh primerov gre za napako pri mazanju gravure - napačen premaz oziroma
prevelika količina premaza), dvoplastnost (stena ulitka se razdeli na dve tanjši steni, med
katerima je odprtina), razpoke in luknje na ulitku (za razpoke in luknje na ulitku obstaja
več vzrokov, eden od njih je lahko prisotnost pod površinske poroznosti), neravna
mehurčkasta površina (eden od vzrokov je poroznost kar pomeni, da so pod zunanjo
površino ujeti plini, zaradi česar material lokalno posledično izstopa) in pa mehurčki, ki so
posledica delovanja kavitacije, ki jo bom v nadaljevanju podrobneje opisal. [7] [9]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
17
4 KAVITACIJA
Pod pojmom kavitacija razumemo nastanek in aktivnost mehurčkov v tekočini. Kavitacija
je fizikalni pojav in natančneje pomeni prisotnost parnih udorin v notranjosti homogenega
tekočega medija, pojavi pa se v zelo razločnih situacijah. Glede na konfiguracijo toka
medija in glede na fizične lastnosti tekočine, se lahko pojavlja v različnih oblikah. [1],[2]
V ne stacionarnem sistemu se hitrosti tekočega medija spreminjajo lokalno. Tekoč medij se
lahko lokalno pospeši. Tam se spreminja tudi tlak in pojavljajo se vdolbine. V točkah
najvišjih hitrosti, najnižjih hitrosti in celo negativnih hitrosti, se pojavljajo različni tlaki in
nastajajo parni mehurčki. Te mehurčke potem odnese tok do področij z višjim tlakom, kjer
z razpoznavnim glasnim pokom razpadejo. [2]
Kavitacijo lahko definiramo tudi kot razčlenitev tekočega medija pod zelo nizkim tlakom.
Izhajajoč iz tega, lahko kavitacijo zasledimo v tekoči in statični tekočini. [1]
Poznamo veliko različnih vrst kavitacij. Glede na nastanek lahko kavitacijo razdelimo na
štiri osnovne vrste [2]:
- hidrodinamična kavitacija (nastane zaradi tlačnih nihanj v tekočem mediju, ki so
lahko posledica geometrijskih značilnosti sistema),
- optična kavitacija (nastane zaradi delovanja zgoščenega fotonskega snopa, ki vdre
v tekoči medij),
- akustična kavitacija (nastane kot posledica zvočnih valov v tekočem mediju, ki so
posledica tlačnih nihanj),
- kavitacija delcev (je proizvedena s katerikoli drugim elementarnim delcem, kot je
npr. proton, ki vdre v tekoči medij).
Glede na izgled ločimo več vrst kavitacij kot so [3]:
- pritrjena kavitacija,
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
18
- super kavitacija,
- kavitacijski oblak,
- vrtinčna kavitacija,
- kavitacija potujočih mehurčkov.
Slika 4.1: Različne vrste kavitacij: (a) kavitacija potujočih mehurčkov, (b) pritrjena kavitacija, (c) kavitacijski
oblak, (d) super kavitacija, (e in f) vrtinčna kavitacija [4]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
19
4.1 AKUSTIČNA KAVITACIJA
V stacionarnih sistemih se tlak okolice lahko spreminja, če pošiljamo zvočne valove skozi
tekočino. Če je amplituda sprememb tlaka dovolj velika, da se tlak lokalno zniža do, ali
celo pod tlak uparjanja v negativnih delih zvočnega cikla ki potuje skozi tekočino, se bodo
tvorili mehurčki. Mehurčki se večajo in premikajo po nedoločenem in zapletenem
postopku. [2]
Na tem mestu je potrebno poudariti dve pomembni karakteristiki akustične kavitacije. Prva
pomembna karakteristika je, da v splošnem nelinearnem sistemu velikost mehurčkov ni
sorazmerna tlaku, ki je posledica zvoka. Druga pomembna lastnost akustične kavitacije pa
je, da visoka stisljivost plinastih mehurčkov pomeni, da se pri raztezanju mehurčkov
pridobi veliko potencialne energije, pri uničenju mehurčkov pa obstaja visoka
koncentracija kinetične energije. V prehodnem ciklu kavitacije se pojavi transformacija
zvočnega vala nizke koncentracije energije v visoko energijsko uničenje mehurčka, kot
posledica ne linearnega gibanja. Zaradi dejstva, da vsebuje mehurček v zelo majhnem
volumnu visoko koncentracijo energije, se pri razpadu proizvedejo visoki tlaki in
temperature, ki lahko poškodujejo trdne snovi, povzročajo kemične reakcije ali proizvajajo
svetlobo. [2]
4.2 OPTIČNA KAVITACIJA IN KAVITACIJA DELCEV
Optična kavitacija se pojavi, kadar so impulzi močnega laserja usmerjeni v tekočino.
Pojavi se razdor v tekočini in tvorijo se kavitacijski mehurčki. [2]
Pri kavitaciji delcev se tvorijo mehurčki, kot posledica močno segretega tekočega medija.
Če spustimo skozi tekoč medij nabit delec, ta delec za kratek delček sekunde pusti za sabo
ionizirano sled. Nekaj energije iz omenjenih ionov se transformira v manjše število hitrih
elektronov, ki lahko na majhnem volumnu proizvedejo tudi do 1000 voltov energije, kar
ima za posledico močno zvišanje lokalne temperature. Torej, če je bil tekoči medij močno
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
20
pregret, se vzdolž ionizirane poti pojavi vrenje, kar se odraža kot linija majhnih
mehurčkov. [2]
4.3 HIDRODINAMIČNA KAVITACIJA
V ne stacionarnem sistemu se hitrost tekočega medija spreminja lokalno in pojavljajo se
spremembe v hitrostih in tlakih. Če se hitrost tekočine občutno poveča, se povečajo tudi
mehurčki. Kavitacija se seveda tvori, samo v primeru če je tlak nizek in je v bližini
uparjalnega tlaka tekočine. [2]
Za začetek si pojav hidrodinamične kavitacije lahko pojasnimo z Bernoullijevo enačbo, ki
je povzeta po [2] :
2 2
1 1 2 2
1 1
2 2P qu P qu H (4.1)
kjer je:
𝑢 – hitrost v točki, kjer je tlak 𝑃
q - gostota tekočega medija
Iz tega sledi:
2 1/2 1/22 2( ) ( )
q Hu
q q (4.2)
Če hitrost tekočine u preseže
(4.3)
mora biti tlak nestisljive tekočine negativen. V taki situaciji se tekočina nagiba k tvorbi
mehurčkov, ki se večajo in posledično nižajo tlak. [2]
Bernoullijeva enačba nam omogoča definicijo kavitacijskega števila , ki predstavlja
parameter s pomočjo katerega pojasnjujemo odvisnost med tokom in kavitacijo.
Kavitacijsko število se določi kot relacija med statičnim tlakom P in hitrostjo toka
tekočine u . Bernoullijeva enačba (4.1) trdi, da je tlačni padec zaradi toka sorazmeren
produktu gostote in kvadratu hitrosti toka. [2]
1/22( )
H
q
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
21
(4.4)
kjer je:
0P - statični tlak okolice
VP - uparjalni tlak tekočine
212
qu - dinamični tlak
Kavitacijsko število , nam poda odpornost toka tekočine do kavitacije. Večje je
kavitacijsko število, nižja je verjetnost za nastanek kavitacije, manjše je kavitacijsko
število, višja je verjetnost za nastanek kavitacije. Če se kavitacija pojavi, lahko z
manjšanjem kavitacijskega števila (nižanjem tlaka okolice ali višanjem hitrosti toka) pojav
kavitacije potenciramo, oziroma lahko z večanjem kavitacijskega števila kavitacijo
popolnoma odpravimo. [2]
4.4 VZROKI ZA NASTANEK KAVITACIJE
Na nastanek kavitacije vpliva veliko dejavnikov kot so hitrost pretoka tekočega medija,
oblika stene po kateri tekoči medij teče, viskoznost in mikroskopska granulacija tekočega
medija itd.
4.4.1 Vpliv hitrosti pretoka
Nenadno povečanje hitrosti pretoka tekočega medija je eden od najpomembnejših možnih
vzrokov za kavitacijo. Povezavo med masnimi izgubami in pretočno hitrostjo lahko
izrazimo s pomočjo enačbe (4.5):
0( )nm k V V (4.5)
kjer je:
0
212
VP P
qu
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
22
m - izguba mase
V - pretočna hitrost
n - pomnoževalni faktor, ki se giblje med 4 in 9
0V- mejna hitrost za nastanek kavitacije pri opazovanem materialu
Za hitrosti, ki so manjše od mejne hitrosti za nastanek kavitacije znaša kavitacijska erozija
0 oziroma jo v celoti lahko zanemarimo. Za vodo in nerjaveče jeklo 316 L leži mejna
hitrost za nastanek kavitacije pri približno 20 m/s. [1]
4.4.2 Vpliv oblike stene
Geometrija stene, lahko vpliva na lokalno oster dvig hitrosti, kar rezultira kot padec tlaka
na določenem območju. To se najpogosteje zgodi, ko se medij na svoji poti sreča z
zavojem kot npr. kolena v cevovodih ali, ko na svoji poti v prečni smeri pride do omejitve
kot se npr. zgodi pri Venturijevi cevi. [1]
Pomembno je, da se zavedamo, da se kavitacija ne pojavi v ravni liniji toka, ki je ne
turbulenten. Za tvorbo kavitacije je potrebna sprememba smeri toka ali konvergenca
aerodinamike toka medija. Vzemimo za primer tok medija, ki ga površina po kateri teče
usmerja stran od smeri gibanja, kot je prikazano na sliki 4.2. [2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
23
Slika 4.2: Nastanek kavitacije na ostremu robu [2]
Zgodila se bo tlačna redukcija v toku medija. Tlak na konkavni strani površine se bo znižal
v primerjavi s tlakom na konveksni strani površine. Najmanjši možni radij zavoja za neki
dani tlak pretoka bo dosežen, ko bo tlak na mejni strani zavoja enak 0. To pomeni, da bo
tekoči medij ostal v stiku s površino in zavojem, le če bo radij zavoja površine, po kateri
teče tok, enak ali večji od omenjenega najmanjšega možnega radija. Če pa radij zavoja ne
bo ustrezen, se bo tok medija razdelil, glavni tok bo skočil čez zavoj in posledično se bo
tvorila kavitacija v praznem prostoru med tekočim medijem in površino. Naslednja tirnica
po kateri bo tekel tok bo zatem popolnoma odvisna od tlaka tekočega medija, saj bo tlak na
strani zavoja enak 0 razen, če se površina po kateri teče medij ne spremeni in prestreže
tirnico toka. Mejni primer je oster rob z ničelnim radijem. V tem primeru pa bo mejna
plast, ki se je ločila, povzročila, da bo glavni tok sledil zaviti steni okoli ločenega področja,
ki pa bo napolnjena s tekočim medijem. Če bo hitrost toka dovolj visoka, da bo povzročila
padec tlaka v ločenem področju na 0, se bo pojavilo uparjanje in tvoriti se bodo začeli
kavitacijski žepki. [2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
24
Vzrok za nastanek kavitacije lahko iščemo tudi v lokalnih neravninah na steni, kjer s
časoma nastanejo večje brazde v katerih se lahko ustvari majhna pritrjena kavitacija. [1]
Zadnji vendar ne zanemarljiv primer se pojavi, ko trdno telo v mirni tekočini nenadoma
pospeši svojo hitrost, še posebej je telo nagnjeno k ustvarjanju kavitacije, če ima ostre
robove. Ob pospešku mora tekočina zaobiti te ostre robove, kar ustvari padce tlaka, tudi že
pri majhnih hitrostih takoj po začetku pospeševanja. [1]
4.4.3 Ostali vplivi
Pri opisu sem se omejil samo na vplive, ki so se mi za mojo raziskavo zdeli
najpomembnejši. Razvoj kavitacije lahko povzroči še veliko drugih vzrokov, kot so na
primer viskoznost tekočega medija, mikroskopska granulacija itd. Seveda je potrebno
upoštevati, da je dosti medijev zmes, ki je sestavljena iz več različnih sestavin, torej je
raziskovanje v tej smeri še veliko bolj zapleteno, saj je potrebno upoštevati lastnosti
vsakega posameznega medija in šele nato gledati na zmes kot celoto.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
25
5 KAVITACIJSKA EROZIJA PRI TLAČNEM LITJU ALUMINIJA
V praksi se lahko kavitacija pojavi v vsaki tekočini v kateri tlak niha. Deformacije kovin in
zlitin so tesno povezane z samo kristalno strukturo elementa, ki neposredno definira
odpornost na različne zunanje vplive. Notranja struktura snovi nam določa, če bo snov
sposobna prenesti zunanjo obremenitev brez, da bi se spremenila makroskopska struktura
snovi. [5]
Kavitacijska erozija, ki nastane pri tlačnem litju, je velik in pogost problem s katerim se
srečujejo vsa podjetja na svetu, ki se ukvarjajo s tlačnim litjem kovin. Je problem, ki je
nastal skupaj z jeklarsko industrijo in jo v nič manjši meri kot nekoč spremlja še danes.
Odpravljanje tega problema zahteva veliko časa in denarja in zaradi tega predstavlja veliko
ekonomsko obremenitev za podjetja. [15]
Začetek kavitacijske erozije pri tlačnem litju na začetku predstavljajo majhne jamice, ki se
pojavijo na tlačnem jeklu. Te jamice postajajo vedno širše in številčnejše, dokler ne
dosežejo stanja, ki je prikazano na sliki 5.1.
Slika 5.1: Kavitacijski mehurčki na aluminijastem ulitku
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
26
Skozi zgodovino je bilo podanih mnogo teorij, ki bi lahko rešile ta pereč problem. Avtorji
teh rešitev so se osredotočali predvsem na hitrost in usmerjenost taline, tlak itd. Kakorkoli,
prevladovala je teorija, ki trdi, da je jeklo pri tlačnem litju dobesedno odplavljeno med
turbulentnim in agresivnim vstopom taline v gravuro. To teorijo so tudi potrjevale
raziskave, ki so potrjevale ekstremno visoke hitrosti taline pri vstopu v gravuro, ki
proizvajajo dovolj velike sile, da uničijo različna jekla. Nadaljnje študije tlačnega litja, pa
so prišle do nekaterih zaključkov, ki so to teorijo postavile pod velik vprašaj. [15]
Slika 5.2: Kavitacijska erozija na robu zavoja [15]
Iz slike 5.1 lahko vidimo, da se erozija pojavi na zavoju ulitka. Črna puščica nam kaže
smer toka skozi ulitek. Iz slike je jasno razvidno, da se erozijske razjede pojavljajo na
mestu, kjer ni direktnega toka taline na jeklo. Vztrajnostna sila toka taline z visoko
hitrostjo bi v sledečem primeru odnesla površino ulitka. [15]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
27
Slika 5.3: Kavitacijska erozija na robu zavoja [15]
Slika 5.3 nam pokaže podobne erozijske pogoje, le da se ti pojavijo na zavoju v drugi
smeri. Tok taline ponovno zaobide erozijsko področje in le to ne prejme direktnega udara
toka taline, kar se zopet ne sklada s teorijo odplavljanja jekla kot posledica direktnega
vstopa agresivnega in turbulentnega toka taline na samo orodje oziroma ulitek. V primeru,
ki je prikazan na slikah 5.2 in 5.3 se erozijska kavitacija pojavi na področju, kjer ima sama
smer toka najmanjši neposredni vpliv. [15]
Slika 5.4: Nastanek kavitacije za zavojem [15]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
28
Na sliki 5.4 je razvidno, da se kavitacija pojavi za področjem, kjer talina udari v zavoj
orodja. Logično mesto za nastanek erozijskih razjed, bi bil na samem zavoju orodja, kjer
jeklo prejme direktni udarec toka taline, kot je prikazano na sliki 5.4, pa vendar na tistem
mestu ni vidnih sledi kavitacije. [15]
Slika 5.5: Nastanke kavitacije za zavojem [15]
Erozija na sliki 5.5 je vidna v stranskih krakih dolivka po katerem priteče talina, takoj za
kritičnim mestom, ki je označen na sliki. Logično mesto za nastanek erozije bi bilo na
samem vrhu stranskih krakov. In spet se erozijska kavitacija pojavi za temi kritičnimi mesti
na področju, kjer ni nikakršnega neposrednega udara toka taline v jeklo. [15]
Izvleček iz vseh štirih podanih primerov nam torej podaja naslednje dejstvo – kavitacijska
erozija se je vedno pojavila na mestih, kjer ni bilo direktnega udara taline v orodje oziroma
ulitek. Tok taline, ki je v orodje vstopil z zelo visoko hitrostjo je na kavitirana področja
nedvomno vplival, vendar nikoli ni pretežen delež neposrednega toka taline udaril na
področje, kjer je nastala kavitacija. [15]
Vsem zgoraj opisanim primerom je skupno, da se je kavitacijska erozija pojavila na
področjih, kjer bi lahko prišlo do ločitve toka taline od površine tlačnega orodja. Sami vrhi
na dolivkih, dvigovanje podlage po kateri teče talina in razne ovire na njeni poti, vsi ti
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
29
dejavniki lahko rezultirajo kot vrzeli v toku taline. Taki pogoji ustvarjajo področja v
katerih nastajajo vrtinci in se pojavljajo padci hitrosti toka taline, od točke ločitve toka
taline naprej. Če ločitev toka taline od površine po kateri teče poteka pod določenimi
pogoji, se pojavijo lokalni padci tlaka. Ko je padec tlaka tako velik, da se približa
uparjalnemu tlaku taline, lahko pride do tvorbe kavitacijske erozije. [15]
Slika 5.6: Celoten proces nastanka kavitacije na ulitkih [15]
Ves postopek nastanka kavitacije pri tlačnem litju nam na enostaven način opiše slika 5.6.
V vrzeli toka taline, ki nastane zaradi različnih vzrokov, kar smo poskusili obrazložiti v
zgornjih vrsticah, pride do padca tlaka. Če se ta tlak zniža do uparjalnega tlaka tekočine
oziroma taline, ta novo nastala vrzel vsebuje vrtinec kapljic in pare. Ta kavitacijski oblaček
tok taline povleče za sabo v območje višjega tlaka, kjer v trenutku razpade. Kot posledica
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
30
razpada tega mehurčka nastane prazen prostor in tekočina oziroma talina iz okoliša se
približa in ponovno zapolni ta prazen prostor. Ko se to zgodi, doseže lokalni tlak taline za
kratek čas zelo visoke vrednosti. Ta razpad kavitacijskega mehurčka in lokalno močno
povišani tlaki so razlog, za ekstremne pritiske na mejno površino. Seštevek teh ekstremov
vodi do utrujenosti materiala in končno do majhnih razpok na površini jekla, kar je lepo
vidno na sliki 5.1. Pri vsem tem dogajanju je zelo pomembno tudi zavedanje, da se taki
kavitacijski mehurčki dejansko tvorijo, razpadejo in znova formirajo večkrat v sekundi!
[15]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
31
6 RAZISKAVA KAVITACIJSKE EROZIJE
V okviru mojega večmesečnega dela v podjetju, ki se ukvarja z visoko tlačnim litjem
aluminija, sem tudi osebno izvedel raziskavo na stroju, s katero sem želel dokazati več
stvari:
- ali je napaka, ki se pojavlja na ulitkih dejansko posledica kavitacije ali je posledica
kakšnega drugega dejavnika,
- ali se obseg kavitacije na ulitku sčasoma veča, manjša ali ostane v istih okvirih,
- ali je napaka na ulitku posledično povezana z napako na orodju, ali se kavitacijske
razjede na ulitku pojavljajo neodvisno od napak na orodju,
- izračunati oziroma vsaj približno določiti mejne vrednosti parametrov na stroju,
pod katerimi kavitacija ne bi nastala.
V podjetju v katerem sem izvedel raziskavo je 24-urni delavnik, to pomeni, da se stroji
nikoli ne ustavijo (razen ob remontih, menjavah orodij oziroma nepričakovanih okvarah).
Na vsakem stroju je za kvaliteto ulitkov in nemoteno delovanje stroja med svojo izmeno,
odgovoren livar. Torej je bila moja prva naloga v okviru raziskave, da sem šel do vodje
livarne, ki mi je odobril, da livarjem, ki so delali na stroju, na katerem sem izvajal
raziskavo, naročim, naj vsaki dve uri ulitek shranijo v posebno škatlo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
32
Slika 6.1: Odvzem ulitkov iz tlačnega stroja
Na začetku in koncu dopoldanske izmene sem vse ulitke, ki so bili označeni z uro nastanka
in zaporedno številko ulitka (od začetka serije) poslikal, zabeležil posebnosti in nato škatlo
vrnil k livarju, kjer so kasneje te ulitke skupaj z ostalimi odpeljali na nadaljnjo obdelavo.
To rutino sem izvajal 4 dni.
Slika 6.2: Slikanje ulitkov
Ko je bilo dela na samem stroju konec, sem vse slike razporedil v časovno progo in si
ogledal in primerjal ulitke. Istočasno sem imel pred seboj precej parametrov, ki jih na
samem stroju lahko merimo in nastavljamo. Torej je moja raziskava temeljila na
opazovanju in popisovanju parametrov na stroju in samem ulitku.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
33
Kot podpora moji raziskavi, se je v podjetju izvedla tudi računalniška simulacija toka taline
skozi orodje.
Na koncu raziskave sem prišel do številnih ugotovitev. Uspelo mi je potrditi, da je napaka,
ki se je pojavljala na ulitkih posledica kavitacijske erozije. Uspelo mi je določiti, ali se
obseg kavitacije na ulitkih sčasoma spreminja. Delno mi je uspelo opisati povezavo med
kavitacijo na orodju in samem ulitku. Mejnih vrednosti parametrov na stroju, ki bi
predstavljali mejo za nastanek kavitacije, pa mi v tako kratkem času ni uspelo določiti. Se
mi je pa poleg nekaj zastavljenih zahtev, ki sem jih imel namen raziskati, tekom raziskave
odprlo še precej drugih smeri, v katere bi lahko vodil raziskavo in, ki bi potencialno lahko
pomenile rešitev problema s kavitacijo. V nadaljevanju so prikazane slike kavitacijske
erozije, ki se je pojavljala na ulitku, ki je bil predmet raziskave.
Slika 6.3: Prvo področje kjer se je pojavila kavitacijska erozija, na začetku serije. Kavitacija še ni razvita.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
34
Slika 6.4: Prvo področje kjer se je pojavila kavitacijska erozija, na koncu serije. Lepo so vidne poškodbe, ki
so posledica erozije.
Slika 6.5 Drugo področje kjer se je pojavljala kavitacijska erozija, na začetku serije. Kavitacija je že razvita.
Slika 6.6: Drugo področje, kjer se je pojavljala kavitacijska erozija, na koncu serije. Kavitacija ostaja v istih
ploščinskih okvirih.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
35
Slika 6.7: Področje kjer se je kavitacija pojavila povsem na novo.
Slika 6.8: Poškodbe na orodju, ki so nastale kot posledica kavitacijskega delovanja taline.
Na žalost mi podjetje v katerem sem raziskavo opravil, zaradi strogih pogodb do
naročnikov, ni dovolilo javne objave rezultatov raziskave.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
36
7 SKLEP
V svojem zaključnem delu sem opisal proces tlačnega litja aluminija in napake, ki se pri
njem pojavljajo. Velik poudarek sem dal pojavu kavitacije pri tlačnem litju aluminija, kar
je bil tudi moj namen. Kot cilj sem si zadal, da bom poskusil priti do vzrokov, zaradi
katerih erozijska kavitacija pri tlačnem litju aluminija nastane, kar mi je tudi uspelo.
Mejnih vrednosti, ki naj bi omejevale nastanek kavitacije, kot npr. mejna hitrost taline
aluminija pod katero kavitacija ne nastaja, pa mi ni uspelo najti.
Močno moram poudariti, da je kavitacijska erozija v svetovni literaturi zelo slabo opisan in
slabo poznan pojem. Našel sem celo članek znanega raziskovalca iz tega področja, ki trdi,
da v svetovni knjižni in internetni literaturi ne obstaja članek, ki bi zgolj potrdil odvisnost
hitrosti taline z nastankom kavitacije, kar je v bistvu osnova vsega nadaljnjega
raziskovanja!
Obstajajo določena podjetja na svetu, ki so uspela rešiti problem kavitacije pri tlačnem
litju, vendar so njihovi rezultati strogo varovana poslovna skrivnost, zaradi katere so v
majhni prednosti pred tekmeci.
V okviru mojega več mesečnega dela v podjetju, ki se ukvarja s visoko tlačnim litjem
aluminija, sem tudi sam naredil manjšo raziskavo, vendar zaradi strogih pogodb z
multinacionalnimi podjetji, ki so vodilne v svojih industrijskih panogah, izsledkov
raziskave nisem smel objaviti v diplomski nalogi. Povem pa lahko, da je raziskava potrdila,
da je kavitacija zelo zanimiv problem, ki je povezan z več strokami. Določitev
natančnejših vzrokov za njen nastanek pri posameznih ulitkih, pa je zelo zahtevna naloga,
ki jo bo livarsko podjetje v katerem sem delal, uspešno opravilo, le ob znatni finančni in
kadrovski podpori vodstva podjetja.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
37
VIRI IN LITERATURA
[1] Franc, J.P. , Michel, J.M. Fundamentals of Cavitation, London: Kluwer Academic
Pusblishers, 2004
[2] Young, F.R. Cavitation, London: Imperial College Press, 1998.
[3] Li, S.C. (ur.). Cavitation of hydraulic machinery, London : Imperial Colegge press,
2000.
[4] Franc, J.P., Avellan, F. ,Belahadji, B. ,Billard, J. Y. ,Briancon-Marjollet, L.
,Frechou, D. ,Fruman, D. H. ,Karimi, A. ,Kueny, J. L. ,Michel, J. M. La cavitation
mechanismes physiques et aspects industrieles, Grenoble: Presses Universitaires de
Grenoble, 1995.
[5] Davis, J.R. (ur.). Corrosion of Aluminum and Aluminum Alloys, Združene države
Amerike: ASM International, 1999. Dostopno na:
http://books.google.si/books?id=iEeiQEeLOmYC&printsec=frontcover&hl=sl&source=gb
s_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false [28.5.2014]
[6] Aluminium casting technology, četrta izdaja. Združene države Amerike: Des Plaines
– American Foundrymen`s Society, 1986.
[7] Matanović, J. Optimizacija procesa tlačnega litja s pomočjo jet cool sistema:
diplomsko delo. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2013.
[8] Jereb, M. Orodja za tlačno litje magnezija: diplomsko delo. Ljubljana: Fakulteta za
strojništvo, 2006.
[9] STACAST, New Quality and Design Standards for Aluminium Alloys Cast
Products. Dostopno na: http://www.stacast-
project.org/sc/docs/deliverables/d_2_1_database_on_defects.pdf [28.5.2014]
[10] Doehler, H.H. Die casting, prva izdaja. New York: McGraw – Hill, 1951.
[11] NADCA, Importance of Die Casting. Dostopno na:
http://www.diecasting.org/wcm/Die_Casting/Shaping_America_s_Future/wcm/Die_Castin
g/DC_Shape.aspx?hkey=ef77621e-91b7-47cb-ba35-f4d8e1671a1a [28.5.2014]
[12] Stotek, Livarska peč. Dostopno na: http://www.stotek.dk/dosotherm.765.aspx
[28.5.2014]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
38
[13] ABB. Dostopno na:
http://www.abb.com/cawp/seitp202/1b69a6afad0e347ec1257c270032e2b8.aspx
[28.5.2014]
[14] HotFlo, Advanced Die Casting Technologies, Worldwide. Dostopno na:
http://www.hotflo.com/defect-diagnosis/index.html [28.5.2014]
[15] Smith, D.G. A new approach to an old problem – die erosion. Detroit: The Society
of Die Casting Engineers Inc., 1964. Dostopno na: http://www.badgermetal.com/pdf/sdce-
1964-cavitation.pdf [28.5.2014]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
39
PRILOGE
PRILOGA A: Izjava o istovetnosti tiskane in elektronske verzije zaključnega dela in
objavi osebnih podatkov avtorja
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
40
PRILOGA B: Izjava o avtorstvu zaključnega dela
Recommended