tlaČno litje aluminija in pojav kavitacijealuminija za nadaljnjo raziskovanje kavitacije. po samem...

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

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.


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]


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]


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]«.

http://sl.wikipedia.org/wiki/Kovina

http://sl.wikipedia.org/wiki/Kovina

http://sl.wikipedia.org/wiki/Material

http://sl.wikipedia.org/wiki/Material

http://sl.wikipedia.org/wiki/Veda

http://sl.wikipedia.org/wiki/Veda

http://sl.wikipedia.org/wiki/Taljenje

http://sl.wikipedia.org/wiki/Taljenje

http://sl.wikipedia.org/w/index.php?title=Centrifuga&action=edit&redlink=1



http://sl.wikipedia.org/wiki/Orodno_jeklo

http://sl.wikipedia.org/wiki/Orodno_jeklo

http://sl.wikipedia.org/w/index.php?title=Kokila&action=edit&redlink=1




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]


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


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.


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]


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]


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.


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]


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


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


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]


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.


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]


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,


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]


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


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


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


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]


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]


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.


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


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]


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]


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


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


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]


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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]

http://books.google.si/books?id=iEeiQEeLOmYC&printsec=frontcover&hl=sl&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false

http://books.google.si/books?id=iEeiQEeLOmYC&printsec=frontcover&hl=sl&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false

http://www.stacast-project.org/sc/docs/deliverables/d_2_1_database_on_defects.pdf

http://www.stacast-project.org/sc/docs/deliverables/d_2_1_database_on_defects.pdf

http://www.diecasting.org/wcm/Die_Casting/Shaping_America_s_Future/wcm/Die_Casting/DC_Shape.aspx?hkey=ef77621e-91b7-47cb-ba35-f4d8e1671a1a

http://www.diecasting.org/wcm/Die_Casting/Shaping_America_s_Future/wcm/Die_Casting/DC_Shape.aspx?hkey=ef77621e-91b7-47cb-ba35-f4d8e1671a1a

http://www.stotek.dk/dosotherm.765.aspx


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]

http://www.abb.com/cawp/seitp202/1b69a6afad0e347ec1257c270032e2b8.aspx

http://www.hotflo.com/defect-diagnosis/index.html

http://www.badgermetal.com/pdf/sdce-1964-cavitation.pdf

http://www.badgermetal.com/pdf/sdce-1964-cavitation.pdf


39

PRILOGE

PRILOGA A: Izjava o istovetnosti tiskane in elektronske verzije zaključnega dela in

objavi osebnih podatkov avtorja


40

PRILOGA B: Izjava o avtorstvu zaključnega dela

tlaČno litje aluminija in pojav kavitacijealuminija za nadaljnjo raziskovanje kavitacije. po samem...

Documents