Slitiny, které dokáží tlumit vibrace

Martenzitické přeměny a tlumení vibrací

Jednou z cest, jak omezit (tlumit) vibrace a prodloužit životnost namáhaných součástí strojů a zařízení, je používání metalických konstrukčních materiálů, u nichž dochází k martenzitickým fázovým přeměnám. Slitiny mědi, hliníku a manganu obsahují vysoké podíly velice pohyblivých hraničních ploch, které, když na ně působí střídavé zatížení, způsobují vysokou disipaci (rozptyl) energie. Díky novému výrobnímu postupu vyvinutému na Technické univerzitě v Clausthalu-Zellerfeldu v SRN je pásmo teploty závislé na chemickém složení, které je přizpůsobováno ke vsádkové teplotě odlévaného kusu.

Rozdíly mezi slitinami

Vhodné jsou materiály odlité z různých slitin:

V zásadě velmi dobře se tlumivých účinků dosahuje u slitin niklu a titanu (Ni-Ti - Nitinol). Takové slitiny jsou však poměrně drahé, protože je nutno je tavit ve vakuu.

Slitiny mědi, zinku a hliníku (Cu-Zn-Al - Proteus) jsou ve srovnání s předchozí kategorií slitin mnohem levnější. Paradoxně se ale dosud ve strojírenství a u součástí pro nákladní automobily málo prosazují i přes svou vysokou tlumicí schopnost (až 30 %).

Tato přednost je bohužel vyvážena či převážena na opačnou stranu nízkou odolností proti stárnutí a opotřebení, nízkou odolností vůči korozi a tendencí k lomivosti.

l slitiny manganu a mědi (Mn-Cu - Sonoston) jsou díky své pevnosti, tlumivé schopnosti a vysoké antikorozní odolnosti pro využití v technice poměrně velmi vhodné. Avšak i ony docela rychle stárnou a opotřebovávají se.

Oblast aplikačního využití slitin Mn-Cu je omezená tím, že se martenziticky přeměňují a na mangan bohatá fáze s asi 5 % mědi vykazuje vysokou schopnost tlumení vibrací v teplotním pásmu od -45 do +15 oC, tj. pásmu, kde stroje a zařízení běžně nepracují.

Přeměna v martenzit

Otřesy, resp. vibrace vyvolávají ve slitinách Cu-Mn za určitých teplot reverzibilní martenzitickou fázovou přeměnu. Za izotermických podmínek tato přeměna způsobuje mezi austenitem a martenzitem velmi vysoký tlumivý účinek. Teplota se přitom pohybuje v rozmezí od zhruba 30 do 40 Kelvinů.

V oblasti počáteční teploty martenzitu při této teplotě začíná proces, při němž se z austenitu tvoří martenzit. Variací chemického složení lze teplotní interval, při němž vzniká vysoký tlumivý efekt, posunout do polohy od -100 do +150 oC. Takto se silné tlumení přizpůsobí vsádkové teplotě odlitků.

Všechny slitiny Cu, Al, Mn mají už při nízkých amplitudách rozpínání vysoký tlumivý efekt. S tím, jak se amplituda rozpínání zvětšuje, se stupňuje i tlumivý účinek, což je důsledek tvorby martenzitu. Tlumivý efekt těchto slitin je vyšší, než má slitina Sonoston (čili pouze Mn-Cu). Po nasycení, respektive poté, co proběhla přeměna, tlumivý účinek, jak je z grafu patrné, opadá.

Srovnání s litinou

Slitiny Cu-Al-Mn se 3 % manganu dosahují maximální tlumivé kapacity 36 %. Naproti tomu litina (lité železo) s lametovým grafitem, která je stále ještě považována za materiál s velkou schopností tlumit vibrace, vykazuje maximální tlumivost asi 1 %. Rozdíl ve prospěch slitin Cu-Al-Mn je tedy patrný.

Přitom nový způsob výroby těchto slitin, vyvinutý na zmíněné škole, není složitější než výroba litiny. Vždy je však nutno před započetím procesu dosáhnout určité počáteční teploty (v grafu označení Ms), a to přidáním vhodných legovacích prvků.

Další účinek tlumení vibrací je ve snížení hluku vydávaného odlitou součástí ve stroji.

Komponenty ze slitin takto vibračně odtlumených se uplatňují jako části strojů, kryty čerpadel, vrtule letadel apod.

AUTOR: St. Kahuda