Vlastislav Otáhal
Tvárná litina

Litina s kuličkovým grafitem
Monografie
II rozšířené vydání
Předložená monografie podléhá autorským právům a nesmí být kýmkoliv rozmnožována a
poskytována dalším subjektům
Technicko-ekononomické poradenství
MetalCasting and Foundry Consult
Otáhal Vlastislav
Brno, Horská 27
Tvárná litina
úvod
Práce je určena slévárenské veřejnosti, metalurgům, konstruktérům strojů a zařízení,
studentům vysokých škol a vědeckým pracovištím zabývajícími se studiem a výzkumem
kovových materiálů.
Předkládáme II. vydání doplněné o nekonvenční způsoby výroby tvárné litiny. Jedná se o
výrobu odlitků z karbidické austenitické tvárné litiny CADI, o výrobu odlitků do trvalých forem,
tak zvané gravitační lití a o horizontální plynulé (kontinuální) odlévání. Dále jsou
v jednotlivých kapitolách zařazeny nejnovější poznatky zjištěné do roku 2008.
Přes skutečnost, že naše země byla mezi prvními, které po Anglii a USA začaly
experimentovat s tímto, v té době novým materiálem, patříme prakticky v současné době
mezi poslední výrobce odlitků z tvárné litiny v Evropě!
Příčin je jistě celá řada, ale rozhodně mezi ně nepatří nedostatek informací a podkladů o
teoretických předpokladech a vědomostech pro zvládnutí kvalitní výroby a užití tvárné litiny.
Již před padesáti lety jsme zpracovali s kolegou Janem Plachým+ poměrně rozsáhlou
publikaci „Jakostní litiny“ / 1/, která obsahovala souhrn téměř všech informací, které byly
v té době o tvárné litině známé a k dispozici (obsahuje 220 literárních odkazů).
Od padesátých let minulého století (7. květen 1948 – H. Morrogh z BCIRA na kongresu AFS
ve Philadelphii oznamuje objev litiny se sféroidálním grafitem ) pak probíhaly na celém světě
a také u nás rozsáhlé práce, zabývajícími se všemi aspekty tohoto materiálu. Současně se
ověřovala výroba odlitků z tvárné litiny* a její uplatnění v různých odvětvích. A zatímco
v západním světě bylo snahou maximální provozní uplatněni tohoto nového materiálu, pak
východ přesto, že držel krok ve výzkumu, zcela zanedbával jeho průmyslové využití a nadále
pokračoval především na rozšiřování výroby ocelí.
V roce 2004 bylo ve světě vyrobeno téměř 19 milionů tun odlitků z tvárné litiny, což je více
než 46 % z výroby odlitků ze šedé litiny. V USA byly vyrobeny 4 mil. tun, to je 95 % z výroby
odlitků ze šedé litiny, v Číně 5,6 mil. tun, to je 50%, v Německu 1,42 mil. tun to je 59 %, ve
Francii 1 mil. tun, to je 106%, ve Španělsku 551 tis. tun, to je 109 % z výroby odlitků ze šedé
litiny a v Rakousku 128 tis. tun, to je dokonce 256 % z výroby odlitků z litin.
V České republice bylo v roce 2004 vyrobeno 48,3 tis. tun odlitků z tvárné litiny, což je
necelých 17% z výroby odlitků ze šedé litiny. Jako další srovnání možno uvést, že v USA činí
výroba odlitků z tvárné litiny 16 kg na hlavu obyvatele, v Německu 17,7 kg na hlavu
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
2
Tvárná litina
obyvatele, ve Francii 20 kg na hlavu, v Rakousku 16 kg na hlavu obyvatele ale v České
republice pouhé 4 kg na hlavu obyvatele. Z toho je zřejmé, že v České republice je výroba
tvárné litiny i po více než 55 letech od jejího objevu stále v plenkách.
Nedocenění, či podcenění tohoto materiálu má své kořeny, jak jsme již uvedli v minulosti,
kdy byla preferována výroba ocelí na odlitky a tvárná litina byla u nás do jisté míry
materiálem dražším než-li ocel a při tom při „ státním plánovaném hospodářství „ i těžko
dostupným. Za těchto podmínek se informace o tvárné litině šířily jen v omezeném okruhu
pracovníků sléváren, pracovníků vysokých škol a výzkumné základny, kteří po léta
shromažďovali zkušenosti s její výrobou a aplikacemi v průmyslu. V rámci existujících
možností a vlastní iniciativy zaváděli výrobu tvárné litiny i s použitím vlastních metalurgických
postupů, které nalezly uznání a rozšíření i ve světě. /2/.
V současné době a hlavně v budoucnu se budou slévárny litin potýkat se stále větší
konkurencí, hlavně z východních zemí a Číny na straně jedné, a stále se zvyšující poptávkou
po tvárné litině, která je dána koncentrací automobilového průmyslu u nás, v Maďarsku a
Polsku. Pokud budou chtít slévárny železných slitin zachovat svojí existenci na trhu s odlitky,
pak jim nezbývá jiná cesta, než-li se zaměřit na výrobu tvárné litiny. K této úspěšné cestě jim
chceme pomoci touto monografií, která je zpracována formou kompendia.
Krátký exkurs do historie objevu zrnitého grafitu
a jeho vyvolání v litině
Zrnitý grafit byl v přírodě nalezen v eutektické hornině pigmenit /3/. Komu a jak se poprvé
podařilo vyrobit litinu se zrnitým grafitem umělým zásahem není známo, ale zřetelná
struktura litiny se zrnitým grafitem byla údajně objevena v odlitku litinového děla,
pocházejícího ze 16.století /4/. Kromě toho najdeme i v literatuře několik zpráv, týkajících se
výroby jakostní litiny způsobem, který podle našich dnešních vědomostí dává předpoklad pro
vznik zrnitého grafitu.
Již roku 1892 byl P. Rossigneuxovi /5/ udělen patent na odsíření šedé litiny a slitin železa
hořčíkem, manganem a sodou. Získal-li tento badatel při svých pokusech s hořčíkem zrnitý
grafit v litině, není známo. Lze však předpokládat, pokud by činil po odsíření zbytkový obsah
Mg v litině nad cca 0,05 %, pak by zrnitý grafit vznikl.
V roce 1920 referoval K. V. Kerpely /viz 6/, a v roce 1923 H. Frey /7/, že šedá litina přehřátá
v zásadité obloukové peci pod silně bazickou struskou vykazuje po odlití pevnosti kolem
56 000 psi (cca 390 MPa) a tažnost 3 až 4 %. Tato litina musela mít strukturu obsahující
zrnitý grafit.
Roku 1935 se o vzniku zrnitého grafitu v šedé litině zmiňuje H. Nipper /8/. Soustavné pokusy
o získání zrnitého grafitu v šedé litině konal v letech 1936 až 1938 C. Adey /9/. Způsob
výroby litiny se zrnitým grafitem přihlásil Adey téhož roku k patentování, ale výsledek svých
prací zveřejnil teprve roku 1948 /10/. Litina byla vyrobena z velmi odsířené nadeutektické
litiny tavené v zásaditě vyzděné vysokofrekvenční elektrické peci pod zásaditou struskou a
při přehřátí litiny na teplotu 1 600 až 1 700 0 C. Podobný způsob výroby litiny s velkou
pevností při tavbě v magnesitovém kelímku a při vysokém přehřátí popisuje Krinitski a
Saeger /11/.
Zpracovávat litinovou taveninu přímými přísadami, způsobujícími vznik grafitu kompaktních
tvarů, navrhl roku 1943 O. Smalley /12/. Byl to vlastně první způsob výroby litiny
s kompaktním grafitem, při němž se používalo dvojího očkování-stabilizačními a
grafitizačními přísadami. Stabilisátorem byl tellur a grafitisátorem sloučeniny křemíku
s hořčíkem nebo vápníkem.
Počátkem roku 1946 byly ukončeny rozsáhlé výzkumy britských vědců Morrogha a Williamse
/13, 14/. Těmto badatelům se podařilo vyřešit způsob výroby zrnitého grafitu v litině přímo
v litém stavu; zrnitý grafit získali malými přísadami některých prvků. Stěžejními prácemi
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
3
Tvárná litina
obsah
Tvárná litina I
1. Úvod
2. Obsah
Krátký exkurs do historie objevu zrnitého grafitu a jeho vyvolání v litině
Poznámky
Literatura
III. Tuhnutí-krystalizace-šedé a tvárné litiny
Struktura binární soustavy železo – uhlík
Tuhnutí šedé litiny
Tvorba zárodků- nukleace v litině
Nukleace primárního austenitu
Makrostruktura primárního tuhnutí
Vliv primární struktury na mechanické vlastnosti šedé litiny
Činitelé ovlivňující primární strukturu šedé litiny
Tavící a licí teplota.
Složení
Očkování (legování)
Mechanismus očkování
Vliv zpracování ve vakuu
Vliv odsíření na primární strukturu
Nukleace austenit - grafitické eutektikum s lupínkovým grafitem
Tuhnutí tvárné litiny
Nukleace austenit - grafitické eutektikum se zrnitým grafitem
Sdružená (spojená-jednotná) oblast (zóna) v litině
Teorie tvorby zrnitého grafitu v litině
A. Nepřímý vznik zrnitého grafitu z cementitu
B. Přímá krystalizace zrnitého grafitu z taveniny (melt-theory)
B. 1. Vznik grafitových zrn v mezidendritické zbytkové tavenině
B. 2. Vliv změny fyzikálních vlastností taveniny na tvar grafitu
B. 3. Teorie povrchové adsorpce /182/
C. Nepřímý vznik zrnitého grafitu rozpadem z austenitu
D. Růst zrnitého grafitu vnějšími vlivy „teorie dendritického růstu“
Srovnání navržené teorie „dendritického růstu“ s existujícími teoriemi.
Krystalická stavba grafitu
Globulární-zrnitý grafit
Modely růstu kompaktního a degenerovaného grafitu
Model degenerovaného grafitu
Literatura
IV. Metalurgie tvárné litiny
Složení tvárné litiny
tvárná litina a rovnovážný diagram
Fe – C - (Si)
vliv primárních prvků na změny struktury a některé mechanické vlastnosti tvárné litiny
Uhlík a Křemík
Mangan
Fosfor
Síra
Vliv sferoidizačních prvků na změny struktury a některé mechanické vlastnosti tvárné litiny
H o ř č í k.
Cer a prvky vzácných zemin
Cer, Lanthan, Neodym, Praseodym, Yttrium, Vápník, Baryum
Ostatní modifikační (sferoidizační) prvky
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
4
Tvárná litina
Vliv legujících prvků na změny struktury a některé mechanické vlastnosti tvárné litiny
Nikl, Molybden, Měď
Vliv rušivých prvků
Tellur, Olovo, Titan, Hliník, Antimon, Vizmut
Ostatní rušivé prvky
Vliv perlito - a karbidotvorných prvků
Chrom, Bor, Vanad, Cín, Arzen
Vliv plynů
Kyslík, Vodík, Dusík
Struktura tvárné litiny ve stavu po odlití
a) Feriticko-perlitická struktura
b) Feritická struktura
c) Perlitická struktura
Literatura
V. tepelné zpracování tvárné litiny
1. Žíhání za účelem snížení (odstranění) vnitřních pnutí.
2. Grafitizace vázaného uhlíku-rozpad karbidické struktury
3. Feritizace perlitu
3.1. Ohřev pod spodní kritickou teplotou
3.2. Ohřev nad spodní kritickou teplotou
4. Homogenizace.
5. Normalizace.
5. 1. Dvoustupňová normalizace.
5. 2. Normalizace a popouštění
6. Kalení.
6.1. Zušlechťování – kalení a popouštění
6.2. Izotermické kalení – izotermicky kalená tvárná litina ADI
7. Povrchové kalení
7.1 Indukční kalení.
7.2. Kalení při ohřevu plamenem.
7.3. Kalení při ohřevu v lázni.
8. Zvláštní způsoby tepelného, případně chemicko-tepelného zpracování
8.1 Tepelné zpracování pro austenitickou tvárnou litinu.
8.2. Difusní sírování (sulfinizace).
Souhrn.
Literatura
VI. Metody tavení pro výrobu tvárné litiny
(tavící pece a suroviny)
1. Kupolové pece
1.1. Kyselé tavby.
1.2. Zásadité tavby.
1. 3. Vsázkové suroviny.
1. 4. Netradiční kupolové pece.
2. Elektrické indukční tavící pece.
2. 1. Vsázkové suroviny.
2. 2. Nízkofrekvenční (síťové) tavící pece.
2. 3. Středofrekvenční tavící pece.
3. Indukční kanálkové pece (s kovovým jádrem).
4. Elektrické obloukové pece.
4. 1. Vsázkové suroviny.
4. 2. Bazické tavby v obloukových pecích.
5. Rotační bubnové pece
6. Poznámky k vsázkovým materiálům:
6. 1. Surová železa.
6. 2. Ocelový odpad.
6. 3. Zlomková litina nakupovaná.
6. 4. Legující prvky,
Uhlík – nauhličovala.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
5
Tvárná litina
Mangan.
Nikl
Měď.
Chrom, wolfram, molybden.
Metalurgický vliv nežádoucích (rušivých) prvků.
7. Karbid křemíku (SiC).
7. 1. Výroba karbidu křemíku.
7. 2. Charakteristika SiC
7. 3. Vliv SiC na tvorbu primárního austenitu.
7. 4. Celkový model mechanizmu působení SiC a FeSi v tavenině-souhrn.
Literatura
VII. Odsiřování taveniny
1. Odsířování-odsiřovací prostředky.
1. 1. Oxid sodný (Na2O)
1. 2. Karbid vápníku
1. 3. Oxid vápenatý (CaO).
1. 4. Hořčík, Cer, Prvky vzácných zemin.
2. Technologie odsiřování.
2. 1. Tavení litiny v zásadité kuplovně.
2. 2. Mechanická mísidla.
Rheinstahl mísič.
Střásací-protřepávací-pánev
2. 3. Vstřikování - Injektování.
2. 4. Profukování taveniny plynem.
2.4.1. Metoda Voljanik –vhánění plynného media shora
2.4.2. Porézní zátka-vhánění plynného media spodem.
Literatura
VIII. Výroba tvárné litiny
1. Slitiny a materiály pro výrobu tvárné litiny
1. 1. Modifikační prvky- (prvky primárního očkování)
Hořčík, Cer a další prvky vzácných zemin, Vápník
1. 2. Modifikační přísady
1. 2. 1. Přísada elementárního kovového hořčíku.
1. 2. 2. Přísady hořčíkových slitin.
Slitiny na bázi nikl-hořčík (Ni-Mg) tak zvané těžké
Slitiny na bázi měď-hořčík (Cu-Ni-Mg, Cu-Mg) -těžké
Slitiny na bázi křemík-hořčík (Mg-Si) tak zvané lehké.
Obsah hořčíku, Obsah vápníku, Obsah ceru a prvků vzácných zemin,
1. 3. Účinnost – výtěžnost hořčíku při modifikaci
2. Metody výroby tvárné litiny
2. 1. Metody používající modifikátory ve formě předslitin.
Otevřená pánev – polévací způsob
Sandwich metoda – metoda sendvič
Tundish cover zpracovací pánve („hrncové-sudové- pánve s víkem“)
Tundisch lifting cover (tundisch pánev se zdvižným víkem)
2. 2. Metody používající čistý hořčík
Ponorný způsob
Sklopná pánev
Map proces.
Metoda zavádění hořčíkových tyčí a drátů
Metoda plněných profilů (Cored wire treatment)
3. Výroba tvárné litiny pod tlakem
Teoretické předpoklady a základní vztahy
3. 1.Výroba tvárné litiny pod tlakem vzduchu
3. 1. 1. Výroba tvárné litiny v autoklávu
3.1.2. Výroba tvárné litiny v tlakové pánvi
3.1.2.1. Ponorný způsob:
3.1.2.2. Sklopný způsob
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
6
Tvárná litina
3.2.Výroba tvárné litiny pod tlakem hořčíkových par.
3.2.1. Ponorný způsob
3.2.2. Sklopný způsob výroby tvárné litiny pod tlakem
4. Nekonvenční metody výroby tvárné litiny
4.1.Metoda In-mold (metoda výroby tvárné litiny přímo ve slévárenské formě).
4.2. Metoda Flow through (Stream treatment – modifikace v proudu- průtočná metoda).
4.3. Metoda porézní zátky
4.4. Modifikace litinovou taveninou přesycenou Mg
5. Různé metody výroby tvárné litiny.
Injektáž prachového nebo granulovaného hořčíku nebo hořčíkových třísek.
Modifikace tekutým hořčíkem
Modifikace hořčíkovými parami
Modifikace tzv. hořčíkovým koksem
Metody Sigmat, Flotret, Imconod, T-nock
Metody využívající zařízení k odsířování.
Použití tlumivých směsí.
6. Výběr metod výroby tvárné litiny
Literatura
IX. Očkování
(grafitizační - sekundární )
1. Očkování šedé litiny
1. 1. Teorie grafitizačního-primárního očkování, Teorie rafinační, Teorie vlivu na parametry,
krystalizace, Teorie legování
2. Očkování tvárné litiny
2. 1. Tvorba karbidů
2.2. Výběr grafitizačního očkovadla
2. 3. Metody grafitizačního očkování.
2.3.1. Opožděné grafitizační očkování v proudu taveniny
2.3.2. Grafitizační očkování plněnými profily (wire inoculation).
2.4. Doznívání účinku grafitizačního očkování.
2.5. Kontrola procesu grafitizačního očkování.
Literatura
X. Inženýrské vlastnosti tvárné litiny
Nelegované a nízkolegované tvárné litiny
1. Normy tvárné litiny
1. 1. Evropské normy
1. 2. Německé normy
1. 3. Americké specifikace
2. Mechanické vlastnosti tvárné litiny
2 . 1. Mechanické vlastnosti za normálních teplot.
Modul pružnosti, Poissonův poměr, Mez úměrnosti, Mez kluzu (mez průtažnosti), Pevnost v tahu (Rm),
Tažnost - poměrné prodloužení, Tvrdost tvárné litiny, Počet grafitových zrn,
Vliv obsahu uhlíku, Vliv obsahu karbidů, Vliv základní kovové hmoty (matrice).
2 . 2. Mechanické vlastnosti za nižších teplot
2 . 3. Mechanické vlastnosti za vyšších teplot.
Růst a oxidace, Vliv prostředí na mechanické vlastnosti
2. 4. Únava – dynamické vlastnosti
Únavová křivka, Wőhlerova křivka, mez únavy, Smithův diagram, struktura základní kovové hmoty,
Vliv nodularity, Vliv vrubového účinku, Vliv velikosti grafitových zrn,
Vliv prostředí na mechanické vlastnosti, Vliv stavu povrchu,
Tepelná únava.
Lomová mechanika, Zkouška rázem v ohybu, Zkouška lomové houževnatosti KIC, Součinitel intenzity
napětí KQ , Nodularita a počet zrn grafitu, Tepelné zpracování, Tepelné křehnutí, Torsní vlastnosti
2. 5. Kontinuálně litá tvárná litina, Mez únavy, lomové plochy;
3. Fysikální a technologické vlastnosti
Tlumící schopnost, Hustota, Teplotní délková roztažnost, Tepelná vodivost, Měrné teplo, Elektrický
měrný odpor, Magnetické vlastnosti,
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
7
Tvárná litina
Opotřebení, Adhezivní (frikční) opotřebení, Abrasivní opotřebení, Erozivní opotřebení, Kavitační
opotřebení, Únavové opotřebení, Vibrační opotřebení
Koroze, Elektrochemická koroze, Chemická koroze,
Oxidace, okujení – opal
Literatura
Xa. Inženýrské vlastnosti tvárné litiny
Izotermicky kalené tvárné litiny
1. Normy a specifikace izotermicky kalené tvárné litiny
(litiny s kuličkovým grafitem)
1. 1. Evropské normy ADI, ČSN EN 1564
1. 2. Německá specifikace izotermicky kalené tvárné litiny ( DIN 1693)
1. 3. Severoamerické specifikace (Austempered Ductile Iron- ADI )
2. Mechanické vlastnosti izotermicky kalené tvárné litiny ADI
2 . 1. Mechanické vlastnosti nelegované ADI
2 . 2. Mechanické vlastnosti legované ADI
3. Odolnost proti opotřebení
Literatura
Xb. Inženýrské vlastnosti tvárné litiny
Legované a austenitické tvárné litiny
1. Tvárná litina legovaná křemíkem a molybdenem
Vliv křemíku, Vliv molybdenu, Vliv křemíku a molybdenu.
2. Austenitické tvárné litiny
1. Normy a specifikace austenitických tvárných litin
1. 1. Německá norma austenitické tvárné litiny , (Austenitisches Gußeisen mit Kugelgraphit) DIN 1694
1. 2. Severoamerické specifikace austenitické tvárné litiny (Ductile Iron Specifications)
2. Vliv chemického složení
3. Mechanické vlastnosti austenitické tvárné litiny
3 . 1. Mechanické vlastnosti za normálních teplot.
3 . 2. Mechanické vlastnosti za zvýšených teplot. Odolnost proti cyklické teplotě
3 . 3. Mechanické vlastnosti za nižších teplot.
4. Technologické vlastnosti, Odolnost proti korozi a erozi, Odolnost proti mořské vodě. Atmosferická
koroze, Odolnost proti opotřebení a otěru. Odolnost proti oxidaci – opalu. Rozměrová stabilita.
5. Fyzikální vlastnosti , hustota, Součinitelé tepelné roztažnosti, Hodnoty tepelné vodivosti
6. Elektrické a magnetické vlastnosti, Specifický elektrický odpor
7. Použití austenitických tvárných litin
Literatura
Tvárná litina II
XI. Slévárenská praxe pro výrobu odlitků z tvárné litiny
1. Konstrukce modelového zařízení-smrštění
2. Vtoková soustava a její výpočet.
2. 1. Licí doba, Efektivní licí výška, Plocha zářezů, Licí jamka, Vtokový systém
3. Filtrace taveniny
3.1 Typy filtrů , Komůrkové – celulární keramické filtry, Pěnové keramické filtry,Síťové – retikulární
keramické filtry, Tkaninové filtry
3.2 Zásady pro filtraci taveniny
Umístění a poloha filtru, Čelní plocha filtru: poměr průřezů, Konstrukce vtokové soustavy:
Omezující faktory při filtraci,
4. Filtrace a metody zpracování taveniny ve formě – metody in-mold
4.1. Očkování ve formě In-mold inoculation
Očkovadlo v licí jamce, Očkovadlo v licím kanále, Očkovadlo (zpracovací slitina)- uložené
v reakční komoře,
Metoda in-mold a filtrace., Očkování - modifikace přímo ve filtru, Očkovací tableta-peleta vložená
do vrstveného - složeného filtru.
5. Nálitkování odlitků z tvárné litiny.
5.1 Vliv slévárenského procesu na nálitkování
5. 2. Objemové změny při chladnutí a tuhnutí odlitku
5. 3. Nálitkování tvárné litiny.
5. 3. 1. Metoda tvarového faktoru
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
8
Tvárná litina
Příklady nálitkování, podnálitkové vložky, boční nálitky
5. 3. 2. Metoda poměrného tuhnutí
5. 4. Rozměry otevřených nálitků
5. 5. Chladítka. Vnější hladítka, Vnitřní hladítka
Literatura
XII. Výroba odlitků z tvárné litiny I
1. Vliv tloušťky stěny na vlastnosti odlitků z tvárné litiny
1. 1. Vliv síly stěny na rychlost tuhnutí odlitku
1. 2. Rychlost ochlazování.
1. 3. Mechanické vlastnosti
2. Výroba odlitků z tvárné litiny s feritickou strukturou ve stavu po odlití.
Vliv množství perlitu na počet grafitových zrn
Vliv přísady křemíku
Mez únavy
Chemické složení
Křemík a fosfor
Index obrobitelnosti
3. Výroba odlitků z austenitické tvárné litiny typu Ni-Resist
Tavící zařízení,
Vsázkový materiál,
Všeobecné podmínky tavící techniky,
Zpracování hořčíkem-modifikace.
Očkování.
Licí technika.
Vtoková technika a nálitkování.
Rafinace taveniny během tavícího procesu.
Chemické složení a slévárenská praxe.
3. 1. Austenitické tvárné litiny Ni-resist s nízkým obsahem Ni (18-22%), středním obsahem Cr (do
2,5%) a středním obsahem Si (do 3,0%).
Tavení v indukční elektrické peci pro tvárnou litiny D-2.
3. 2. Austenitické tvárné litiny Ni-resist s vysokým obsahem Ni (34-37%), středním obsahem Cr (do
2,25%) a vysokým obsahem Si (do 6,0%).
Tavení v indukční elektrické peci pro tvárnou litiny D-5S Ni-Resist.
3. 3. Austenitické tvárné litiny Ni-resist s nižším obsahem Ni (21-24%), nízkým obsahem Cr (do
0,50%) a středně vysokým obsahem Mn (1,80-2,40%).
3. 4. Austenitické tvárné litiny Ni-resist s nižším obsahem Ni (21-24%), s velmi nízkým obsahem Cr
(do 0,20%) a vysokým obsahem Mn (3,75- 4,50%).
Tavení v indukční elektrické peci pro tvárnou litiny D-2M Ni-Resist.
3. 5. Tepelné zpracování tvárné litiny Ni-Resist.
Snižování vnitřních pnutí,
Tepelné zpracování za účelem zlepšení obrobitelnosti,
Tepelné zpracování pro zajištění stability za zvýšených teplot ,
Tepelné zpracování za účelem dosažení maximální rozměrové stability za normálních provozních
podmínek,
3. 6. Příklady technologie výroby odlitků z tvárné litiny Ni-Resist.
4. Výroba odlitků z izotermicky kalené tvárné litiny - ADI
4. 1. Vliv chemického složení v IRA diagramech
4. 2. Základy výroby tvárné litiny ADI
Odměšování,
Vady odlitků,
Vady tepelného zpracování,.
Austenitizace,
Ochlazení z austenitizační teploty,
Teplota izotermické přeměny
4. 3. Odlitky z ADI
4. 4. Aplikace odlitků z ADI
Těžké nákladní vozy a komponenty
Lehké, osobní vozy a jejich komponenty
Zalomené hřídele
Stavební, důlní a transportní komponenty, náhradní díly
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
9
Tvárná litina
Železnice
Zemědělství a lesnictví, zemní a vrtné práce
Ozubená soukolí
Obranný průmysl
5. Výroba tenkostěnných odlitků
Zásady pro výrobu
Ekvivalent uhlíku CE
Zásady pro výrobu tenkostěnných odlitků
Mechanické vlastnosti tenkostěnných odlitků
Využitím izolačních formovacích hmot,
Tenkostěnné ADI
Tenkostěnná austenitická tvárná litina Ni-resist.
6. Výroba masivních silnostěnných odlitků
Zásady pro výrobu masivních odlitků
Masivní silnostěnné odlitky
Odlitky z tvárné litiny pro větrné elektrárny
Průměrné chemické složení, vsázkové materiály
Tavení a zpracování taveniny
Formování a uvolňování- vybalování odlitků (vytloukání) po odlití z formy
Literatura
XIIa. Výroba odlitků z tvárné litiny II
1. Výroba odlitků z izotermicky kalené karbidické tvárné litiny - CADI
1. 1. Základy výroby tvárné litiny CADI
Metody vzniku karbidů v tvárné litině CADI
Poznámky k materiálům práškové metalurgie:
1. 2. Aplikace odlitků z CADI /767,768/.
2. Výroba odlitků do trvalých forem
Konstrukce chladících systémů trvalých forem
Mechanizace a automatizace odlévání do trvalých forem
Technologie výroby odlitků z tvárné litiny litých do trvalých forem
Mechanické vlastnosti tvárné litiny litých do trvalých forem.
Konstrukce vtokových soustav odlitků litých do trvalých forem
Výroba velkých a hmotných odlitků z tvárné litiny litých do trvalých forem (kokil)
Trvalé formy s výstelkou
3. Horizontální kontinuální odlévání polotovarů z tvárné litiny
Tavení
Výroba tvárné litiny modifikací hořčíkem
Mikrostruktura a mechanické vlastnosti
Konstrukce grafitových trvalých forem a rychlost ochlazování
Legování a očkování
Literatura
Tvárná litina III
XIII. Vady odlitků z tvárné litiny
Vady struktury
Flotace - plavení (vyplouvání) grafitu
Explodovaný-rozpadlý (rozbitý) grafit
Chunky grafit
Karbidy
Lupínkový grafit-přechodné typy grafitu
Segregace fosforu
Struskové a oxidační strusko-plynové vady
Opatření k zamezení struskoplynových oxidačních vad
Povrchové a podpovrchové bubliny-bodliny
Páry hořčíku
Vodík a dusík
Mechanizmus vzniku vodíkových bublin
Opatření ke snížení nebezpečí vzniku vodíkových bublin a bodlin:
Dusíkové bubliny a bodliny
Staženiny a řediny.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
10
Tvárná litina
Vady způsobené nadměrným obsahem hořčíku
Zjizvený povrch
Břidličnatý lom
Literatura
XIV.Čistění a svařování odlitků z tvárné litiny
Čistění odlitků
Běžná technologie a zařízení v čistírnách odlitků tvárné litiny:
Odstraňování vtoků a nálitků
Ruční urážení nálitků a vtokových soustav
Řezání nálitků
Ruční rozbrušování
Strojní rozbrušování
Ulamovací klíny
Manipulátory a roboty
Mechanické ulamování nálitků nárazem
Odstraňování nálitků plamenem
Svařování odlitků
Svařování elektrickým obloukem
Měkké ocelové elektrody
Elektrody na bázi niklu
Elektrody s vysokým obsahem niklu (typy: Ni, NiCu, ENi-CI, ENi-CI-A)
Elektrody se středním obsahem niklu (typy: NiFe-1, NiFe-2, ENiFe-CI, ENiFe-CI-A)
Elektrody s nižším obsahem niklu a přísadou manganu (typ: NiFeMn-CI)
Předehřev
Rozsah teplot při předehřevu
Elektrody z tvárné litiny
Svařování kyslíkoacetylenovým plamenem
Přídavný materiál-svařovací tyčinky z tvárné litiny, tavidla
Předehřev
Vliv chemického složení plnícího materiálu na strukturu svaru
Využití metod svařování
Literatura
XV. Kontrola výroby odlitků z tvárné litiny
Vstupní suroviny
Vsázka do tavících zařízení
Složení taveniny pro modifikaci
Kontrola teploty taveniny
Metalografická analýza
Mechanické zkoušky
Speciální zkoušky a přístroje
Měření teplot
teplotní stupnice
Termoelektrické články
Bezdotykové měření teploty
Pyrometry spektrální,
Pásmové
Barvové
Radiační
Termovize
Termická analýza
Křivky ochlazování a tuhnutí
Diferenciální termická analýza
Chemická analýza
Spektroskopie a spektrometrie
Literatura
XVI.Obrábění odlitků z tvárné litiny
Vliv mikrostruktury
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
11
Tvárná litina
Řezné nástroje
Rychlořezné oceli
Tvrdokovy
Řezná keramika
Cermety
Směrné hodnoty pro soustružení tvárné litiny –DIN 1693
Směrné hodnoty pro soustružení bainitické tvárné litiny
Směrné hodnoty pro soustružení austenitické tvárné litiny
Směrné hodnoty pro vrtání tvárné litiny
Směrné hodnoty pro vrtání bainitické tvárné litiny
Směrné hodnoty pro vystružování tvárné litiny
Směrné hodnoty pro obrábění nelegované tvárné litiny - EN-GJS
literatura
XVII._literatura
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
12
Tvárná litina
III.
tuhnutí-krystalizace-šedé a
tvárné litiny
Osvětlení otázek vzniku zrnitého grafitu je znesnadňováno nepřesnou znalostí, respektive
různorodostí výkladu některých pochodů při tuhnutí a vzniku normálního lupínkového grafitu,
neboť názory na grafitizaci šedé litiny se v některých oblastech různí. A právě práce,
zabývající se vznikem zrnitého grafitu objasnily i mnohé otázky, týkající se grafitizace
normální šedé litiny.
Při studiu železných slitin vycházíme z binárního rovnovážného diagramu železa s uhlíkem
a z něj pak odvozujeme závěry o jejich struktuře a vlastnostech. Vzhledem k tomu, že máme
v této oblasti u nás již tradičně špičkovou literaturu /např. 22, 23, 24 /, uvedeme zde pouze
vyslovené hypotézy a případně doplníme některé nejnovější poznatky.
Obr. 3.1. Rovnovážný diagram železo-uhlík /23/
Úvahy a teorie o mechanizmu tuhnutí šedé litiny byly vysloveny před více než 60 léty a od
té doby doznaly jen nepatrné modifikace a změny. Při popisu se většinou vychází z křivek
ochlazování slitin, daného složení.
Struktura binární soustavy železo – uhlík
Pozorováním binární soustavy železo – uhlík za teploty cca 200C nad teplotou liquidu, při
použití rtg. neutronové difrakce bylo zjištěno, že do obsahu 1,8% C v tavenině, se
vzdálenost nejbližších sousedních částic železa rI , právě tak jako jejich počet v daném
objemu zvětšuje (obr. 3.1.1). Nad obsahem 1,8% C, zůstává vzdálenost sousedních částic
konstantní, zatímco počet nejbližších sousedních částic se nadále zvětšuje. Nad 3,5%C až
do 5,5% C zůstává jak vzdálenost, tak počet sousedních částic konstantní.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
13
Tvárná litina
Nad obsahem 3,5% C se v tavenině utvářejí drobné uspořádané oblasti (short-range order
regions) bohaté na uhlík. Znamená to, že tavenina obohacovaná uhlíkem houstne.
Maximální hustoty je dosaženo při 3% koncentraci. Přebytek uhlíku vytváří oblasti bohaté
uhlíkem a tím nehomogennitu v tavenině /160/.
Měřením viskozity ve slitinách železo – uhlík byl taktéž zjištěn vztah mezi viskozitou a
obsahem uhlíku v tavenině /161/. Tato korelace může být vysvětlena na základě změny
meziatomových vzdáleností v tavenině ( obr. 3.1. 2).
Obr. 3. 1. 1. Vliv obsahu uhlíku v tavenině Fe-C
na vzdálenost nejbližších sousedů (atomů)
(rI) a počtem nejbližších sousedů (atomů) (NI)
/160/.
Obr. 3. 1. 2. Vliv obsahu uhlíku v tavenině Fe-C, při teplotě 200C nad likvidem taveniny, na viskozitu /161/.
Taveniny železo – uhlík s nízkým obsahem uhlíku (< 3,5% C) – oceli a litiny chudé na obsah
uhlíku – jsou mikroskopicky homogenní. Taveniny železo - uhlík s vysokým obsahem uhlíku
(> 3.5% C) – litiny bohaté na obsah uhlíku–jsou disperzní koloidní systémy
s mikroseskupením uhlíku v tekutém roztoku. Podstata těchto mikroseskupení není jasná.
Hypoteticky se předpokládá, že se jedná buď o (shluky) clustery Fe3C , nebo o clustery Cn
( kde n odpovídá počtu clusterů atomů C). Velikost Cn clusterů se pohybuje v rozmezí 1 – 20
mikronů a zvětšuje se s ekvivalentem uhlíku, nižším obsahem křemíku a nižší teplotou a
kratší dobou udržování taveniny na teplotě. Předpokládá se, že konfigurace bohaté na uhlík
v taveninách železo – uhlík jsou dynamicky rovnovážné a že difundují v tavenině.
tuhnutí šedé litiny
Tvorba zárodků- nukleace v litině
Při tuhnutí litiny jsou rozhodující dva základní procesy. Především je to proces tvorby
zárodků (nukleace) primárního austenitu a proces tvorby zárodků (nukleace) grafitické fáze,
který může být buďto součástí eutektické fáze, nebo může být vlastní primární fází.
Nukleace primárního austenitu
Jakmile je u podeutektické litiny dosaženo teploty likvidu, začíná tuhnutí vylučováním
primárních dendritů austenitu. Počátek krystalizace austenitu závisí na přítomnosti vhodných
zárodků a na určitém přechlazení k teoretické teplotě likvidu. Pro aktivaci zárodků austenitu
je potřebné poměrně malé přechlazení.
Během krystalizace austenitu se tavenina obohacuje uhlíkem a její složení se nakonec stává
eutektické. Vlivem rozdílné rozpustnosti uhlíku v austenitu a v tavenině je koncentrace uhlíku
- ale i ostatních přísadových prvků- v dendritech austenitu nižší jako v tavenině. V důsledku
toho se na rozhraní austenit- tavenina vytváří koncentrační spád., který je charakterizován
tak zvaným rozdělovacím koeficientem (ko = cS/cL), jehož číselná hodnota je pro různé
prvky různá. Na přiklad pro síru 0,084, pro uhlík 0,376 a pro hliník 0,891.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
14
Tvárná litina
tuhnutí tvárné litiny
nukleace austenit - grafitické eutektikum se zrnitým grafitem
Jelikož většina očkovadel –nukleantů- používaných při zpracování litiny s lupínkovým
grafitem je také účinná u litiny se zrnitým grafitem, můžeme předpokládat obdobný
mechanizmus a podmínky aktivity při nukleaci grafitického eutektika jak s lupínkovým, tak se
zrnitým grafitem. Rozsáhlá studia transmisní a skenovou elektronovou mikroskopií která
měla za úkol identifikovat složení grafitových zárodku v litinách se zrnitým grafitem, končila
s velmi různorodými výsledky. V pomyslném středu grafitových zrn byla nalezena řada
různých typů komponentů; to vedlo k hypotetickým předpokladům, že se může jednat o
zárodky vzniku grafitových zrn. Některé z těchto sloučenin byly následujících typů:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
3MgO . 2SiO2 . 2H2O (krystobalit) /168/
xMgO . yAl2O3 . z SiO2
xMgO . y SiO2 . xMgO . y SiO2 . zMgS /169/
MgS /170/
Te + Mn + S /171/
Sulfidy lanthanidů /172/
Při kalících zkouškách tvárné litiny bylo zjištěno že zárodky zrnitého grafitu tvoří duplexní
sulfido-oxidické vměstky o průměru cca 1nm. Jádro je tvořeno Ca-Mg nebo Ca-Mg-Sr sulfidy,
zatímco vnější obálku tvoří komplexní Mg-Al-Si-Ti oxidy se spinelovou strukturou. Rtg
difrakční analýza ukázala, že několik počátečních vrstev grafitu připojených k oxidům, mělo
dilatovanou – rozšířenou mřížku (0.264 nm namísto 0,246nm). Vzdálenost grafitových vrstev
se v oblastech mimo oxidy zmenšuje až je dosaženo přirozené rozteče. V matrici byly
pozorovány četné dislokace, které byly generovány jako důsledek elastického napětí
v grafitových vrstvách sousedících s oxidy.
Tato pozorování umožňuji, pro teorii nukleace zrnitého grafitu, vyslovit obdobnou teorii, jako
je katalytická teorie nukleace lupínkového grafitu na oxidu křemičitém (SiO2).
Nukleační proces začíná tvorbou komplexních sulfidů, které slouží jako zárodky komplexních
oxidů, které pak následně slouží jako zárodky zrnitého grafitu.
sdružená (spojená) oblast (zóna) v litině
Abychom porozuměli tuhnutí tvárné litiny se zrnitým grafitem musí být pochopen tzv.
sdružený růst oblasti eutektika( coupled Zone) ; ten je v litině asymetrický.
Teoreticky je možné sestrojit sdruženou oblast pro šedou litinu s lupínkovým grafitem za
podmínek stejné rychlosti růstu austenitické (i grafitické (Gr) fáze. Prvně uvažujme křivky
rychlosti růstu pro a Gr v systému Fe-C (obr. 3.1.3). Pro litinu s lupínkovým grafitem
rychlost růstu austenitu , R , a rychlost růstu grafitu ve směru [1010], RGr [1010], se protínají;
V důsledku toho možno sdruženou (spojenou) oblast zkonstruovat.
Jones a Kurz /173/ experimentálně prokázali přechodná stadia od plně eutektické po
eutektické plus dendritické struktury v čistých slitinách Fe-C eutektického složení, tuhnoucích
bíle nebo s lupínkovým grafitem a vypočítali -Fe a Gr-Fe eutektické hranice (obr. 3.1.4).
Pro tvárnou litinu se zrnitým grafitem pro níž je převládající růst ve směru [0001], se obě
rychlosti růstu RaRGr [0001] nepřetnou, což znamená, že sdružený (zdvojený) růst je
nemožný. Eutektikum lupínkový grafit je neregulární sdružené (zdvojené) eutektikum
složené z fasetovaného (Gr)/nefasetovaného (typu.
Eutektikum zrnitý grafit je eutektikum rozdělené- (divorced).
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
15
Tvárná litina
Obr. 3. 1. 4.
Sdružené oblasti usměrněného růstu eutektika : Fe-C:
(Eu1) stabilní eutektikum; (Eu2) metastabilní eutektikum;
(Au) dendrity austenitu; (Gr) primární grafit; (Ce) primární
cementit
(c)
Obr. 3.1.3.
K obr. 3.1.3.
Křivky rychlosti růstu austenitu a grafitu Fe-C-Si v
tavenině: (a) austenit-eutektikum s lupínkovým grafitem;
(b) austenit-eutektikum se zrnitým grafitem; (c) rozdílná
rychlost růstu lupínku grafitu v podélném RG [1010]a
příčném RGr [0001] směru (tloušťka).
<
teorie tvorby zrnitého grafitu v litině
Poměrně ucelený obraz o způsobu i příčinách vzniku zrnitého grafitu podle teorií různých
badatelů podal již před půl stoletím v roce 1953 Wittmoser /56/ a později Ward /57/. U nás
uvedl podle rozdělení Wittmosera a na základě dalších prací, hlavně Marinčeka /58/,
Patterona /59/ a novější práce Morrougha /60/, velmi výstižný a podrobný přehled o vzniku
zrnitého grafitu, doplněný vlastními úvahami, Ryš /46/ a autor této práce /1, str.58-69/.
Vcelku souhlasný je názor, že při tuhnutí tvárné litiny dochází nejprve ke krystalizaci
primárního austenitu. Při tuhnutí nadeutektické tvárné litiny se zrnitý grafit - právě tak jako u
šedé litiny lupínkový grafit - vylučuje přímo z taveniny. Rozdíly jsou hlavně v názorech na
krystalizační pochod při vzniku zrnitého grafitu u eutektických a podeutektických litin.
Teorie tuhnutí tvárné litiny si můžeme rozdělit do třech skupin /56, 61, 1/:
A. Nepřímý vznik zrnitého grafitu z cementitu
Nejprve krystalizuje eutektikum austenit-cementit a při jeho rozpadu vznikají zrna grafitu.
Důkazů, o které se opírají zastánci této teorie je několik. Především je to možnost rychlého
rozpadu cementitu na zrnitý grafit, který nastává při žíhání bílé litiny zpracované hořčíkem a
temperované litiny s bílým lomem. V tomto směru jsou známé práce Grantovy /62/ a
Rehderovy /63/. Přísadou prvků způsobujících vznik zrnitého grafitu nastává v četných
případech značné přechlazení litiny a projeví se sklon k metastabilnímu tuhnutí. Přísada
hořčíku a ferosilicia vytvoří vhodné vměstky k podpoře grafitizace a rozpadu cementitu na
zrnitý grafit. A. de Sy /64/ se domníval, že po redukci všech zárodků které mají příznivý vliv
na tvoření lupínkového grafitu, vzniká cementit, jehož rozpadem při dalším ochlazování
vznikne zrnitý grafit. Z tohoto hlediska vycházejí četné práce Piwowarského /65/, Wittmosera
a jiných/ 66, 67/.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
16
Tvárná litina
Obr. 3.24. Průřez odlitkem válce o průměru 400 mm,
vzorek o délce 120 mm /42/.
Tato fotografie ukazuje zvětšování rozměrů dendritů se zvětšením síly stěny odlitku. Je též
evidentní že je nemožné získat celkový pohled na plnou souvislost mezi různými částmi
dendritických oblastí, použitím normální mikroskopie. Nebereme-li to v úvahu, mohou byt
vyvozeny zcela milné závěry, že se dendritická struktura nevytváří v tlustostěnných odlitcích .
Prostorová (trojrozměrná) struktura dendritických
větví a rozmístění grafitických zrn byla studována na
velkorozměrném dendritu vyjmutém z těžkého odlitku
a z něj pak upraven vzorek o velikosti cca 15 mm
dle obr. 3.25. Tento vzorek pak byl podroben
mikroskopickému ohledání.
Jestliže provedeme řadu rovnoběžných výbrusů na
vzorku, můžeme si udělat obrázek o prostorovém
rozložení celé struktury a zvláště pak tvaru
grafitických zrn.
Obr.3. 25. Vzorek z dendritu vyjmutý
z těžkého odlitku k mikroohledání;
Obr. 3. 26 A (15) – Řez dendritem V= 50X,
Nital
Obr. 3. 26 B(16) – Řez dendritem V= 50X
leptáno primárně (Becker), /42/;
/.
Obr. 3. 26 A představuje řez takto upraveným dendritem, při naleptání Nitalem. Struktura je
zcela ferritická, kulovitý grafit různých rozměrů je patrný. Počet zrn grafitu činí 150/mm2. Lze
předpokládat, že tato struktura je v celém odlitku.
Obr. 3. 26 B je stejná oblast po primárním naleptání. Oraz je zcela odlišný, jako
v předcházejícím případě. Dendritická struktura, která nebyla patrná při naleptání Nitalem je
teď zcela patrná.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
17
Tvárná litina
Grafitová zrna se nacházejí jednak v dendritech, jednak vně dendritických větví. Pozice zrn
vzhledem k dendritickým větvím-stonkům-je ve shodě s dřívějšími pozorováním. /119, 120/.
Na obr. 3. 27 jsou v rozsahu tlouštěk po 10 až 15 mikronech jednotlivé mikrostruktury.
Mikrostruktury ukazují, že dendrity mají zákonitou strukturu. Ve vertikálním směru je zřejmé
že dendrity mají větve s věncem ferritu, na první pohled bez vzájemného spojení. V první
vrstvě jsou zrna grafitu na okraji dendritických větví. Na druhém obrázku jsou zrna obklopena
ferritickou obálkou. Třetí obrázek ukazuje opět dendritickou strukturu, následovanou vrstvou
feritických obálek obsahujících grafitová zrna atd. Tento pořádek prostupuje celým
dendritem. U všech dendritů nalézáme prakticky stejnou strukturu, což není v souladu
s původními teoriemi krystalizace grafitu z taveniny (melt-theory).
Ačkoliv dendritické větve jsou na mikrosnímcích více, či méně masivní, nutno si uvědomit, že
všechny větve jsou dále rozvětveny a sestávají z velkého počtu tenkých větviček, jakýchsi
stvolů. Mohou být zviditelněny v detailech po žíhání jak vidno na obr. 3. 28.
Na obr.3.28-A jsou dobře patrné masivní dendritické větve které jsou vytvářeny
z drobnějších tenkých větviček, jakýchsi stvolů.
Při použití prodloužené doby leptání, dendritické větve zabírají téměř celý povrch, ale i potom
základní dendritická struktura stále zůstává rozeznatelná jak vidno z obr. 3. 28. B.
Obr. 3. 27.(17 až 20) Mikrostruktury vrstev v dendritu ve vzdálenostech
jednotlivých vrstev 10 až 15 mikronů, V = 50 X, leptáno primárně, /42/.
V rámci tohoto výzkumu bylo, za použití Noguchiho rovnice /121, 122/ zjištěno, že 1 gram
izolovaného dendritu obsahuje 1, 500.000 grafitových zrn.
Ve shodě s existujícími teoriemi, vznik a další růst každého zrna začíná na zárodku. Pro
shora uvedený případ by to znamenalo, že ke vzniku 1 gramu dendritu s uvedeným počtem
grafitových zrn, by bylo potřeba 1,5 milionů zárodků v určitý čas, na pravém místě a při
vhodném složení. Takovýto mechanizmus je podle Cees van de Velde prakticky nemožný.
Naproti tomu, dendritický růst, se svými násobnými větvemi může lehce produkovat tento
počet míst pro grafitickou formaci.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
18
Tvárná litina
Obr. 3. 35.A,B Sekundární elektrony, hluboce leptáno
Obr. 3. 36.A,B Tepelná oxidace
Obr. 3. 38. katodicky leptáno ve vakuu 4 200x
Obr. 3. 36.C,D Iontový paprsek
Obr. 3. 37. A, B. Kombinované leptání, hluboce
leptáno
Obr. 3. 39. Model krystalizace grafit. zrna
Obr. 3. 40. 1. Růst zrnitého grafitu destrukcí rozhrání,(a) růst protuberancí z polyedrického
krystalu, (b) sférická obálka je vzdálenost d před rostoucím krystalem /184/;
Obr. 3. 40. 2. Růst zrnitého grafitu z krystalů konické šroubovice, (a) struktura konické
Šroubovice, (b) růst jednotek (konických šroubovic) z pomyslného středu,
(c) hranice „zapletené“ mezi jednotlivé krystalické segmenty na povrchu grafitu /185/-
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
19
Tvárná litina
závisí na místě – poloze vzniku zárodku grafitu a jeho růstu. Na obr. 3.41 je „buňka“ zrnitého
– kuličkového grafitu v celkovém pohledu a detailu a na obr. 3.42 obdobně „buňka
červíčkovitého - vermikulárního grafitu v celkovém pohledu a detailu.
Sledované „substruktury“ jednotlivých typů grafitu dokladují že sestávají prakticky ze zcela
obdobných částic, jakýchsi drobných lupínků grafitu, na což se odvolává u své hypotézy
„dendritického“ růstu zrnitého grafitu Van de Velde /42, 109, 110/. (str. 24 až 30) obr. 3. 44.
Fuoci a Cabezas /145/, ve své práci sledující vliv rozhraní austenit/grafit na tvorbu feritické,
respektive perlitické základní hmoty šedé a tvárné litiny, podrobili detailnímu průzkumu
lupínkový a zrnitý grafit využitím elektronového mikroskopu a techniku hlubokého leptání
vzorků. V obr. 3.45 uvádíme ukázky z jejich práce. Tvar grafitu při hlubokém leptání je
obdobný, jako u předcházejících prací.
Obr. 3. 41. a, b – Kuličkový-zrnitý grafit, a – celé zrno, b – detailní pohled na strukturu
povrchu zrna (SEM);/144/;
Obr. 3. 42 a, b, - červíkovitý – vermikulární grafit, a – celá buňka , b - detailní pohled na strukturu;
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
20
Tvárná litina
Obr.3. 63 - Přechodový typ grafitu,
bombardováno ionty ;
200x
Obr.3.64 - Přechodový typ grafitu,
bombardováno ionty;
700x
Obr.3. 65 - Přechodový typ grafitu,
bombardováno ionty;
2600x
Obr. 3.53 až obr.3.65 - Přechodové typy grafitu /190/.
Unikátní způsob studia morfologie struktury grafitových forem v litině zpracované hořčíkem
předložil Loper a Fang /752/. Vzorky byly připraveny dvojí separací, tj. vyjmutím grafitových
částic ze základní kovové hmoty jejich chemickým anebo elektrolitickým hlubokým
odleptáním, jejich rozložením mezi vyleštěné kovové destičky, opětným zalitím kovovou
substancí a z nich pak vytvořeny nové, jakési „ nanošupínky-filmy“, a opětným odleptáním
kovové substance, v niž byly tyto grafitové částice uloženy. Byly tak získány prakticky
samostatné grafitové útvary s možností „prostorového“ ohledání.
Vytvoření „nanošupínkových“ vzorků (filmů) k mikroskopickému ohledání elektronovým
mikroskopem (SEM, TEM, HREM) ukazuje schematicky obr.3.66 a., seskupení grafitových
zrn obr.3.66b, a extrahované grafitové zrno obr.3.66 c.
a-graf. částice uloženy na kov.podložce,
b-částice oblity kovovou substancí,
c- oblitý kov odstraněn-vznik „nanofilmu“;
Obr.3. 66 a – Postup při výrobě vzorku,
„nanošupiny-nanofilmu“ k ohledání
/752/;
Obr.3. 67 a – Povrch grafitového zrna,
(SEM) /752/;
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
Obr.3.66 b – Vzorek „nanošupina“-film
se separovanými zrny grafitu (SEM);
Obr.3.66 c – Separované zrno
grafitu (SEM) /752/;
Obr.3.67 b – Řez středem grafitového
zrna, radiálně/obvodový indikátor
hexagonální krystalické struktury(TEM)
Obr.3.67 c – Další příklad řezu graf.
zrnem ; jsou zřejmá různá stádia růstu
gr. zrna (TEM) /752/;
21
Tvárná litina
IV.
metalurgie tvárné litiny
Na mikrostrukturu a vlastnosti tvárné litiny působí mnoho činitelů. Nejdůležitější z nich jsou:
1. chemické složení
2. zpracování roztavené litiny a
3. rychlost tuhnutí a rychlost ochlazování pevné fáze
složení tvárné litiny
Chemické složení tvárné litiny je podobně jako složení šedé litiny s lupínkovým grafitem
jedním z nejdůležitějších činitelů, jež mají vliv na strukturu nebo strukturální změny grafitu a
základní kovové hmoty a na její mechanicko-fyzikální vlastnosti.
Každý prvek má určitý vliv na strukturu tuhnoucích fáze - morfologii grafitu, nebo na
kovovou základní hmotu-mikrostrukturu.
Většina prvků přítomných v tvárné litině může být klasifikována podle jejich vlivu na
mikrostrukturu. Tyto zahrnují:
 primární prvky – C, Si, Mn, P a S;
 sferoidizační (primárně očkující-modifikační) prvky – Mg, prvky vzácných
zemin, Ca, atd.;
 legující prvky – Cu, Ni a Mo;
 prvky zbytkové a pro určité účely, se speciálním záměrem – As, Bi, Pb, Sb atd.;
 perlito - a karbidotvorné prvky – As, B, Cr, Sn a V;
 plyny – H, N a O;
Hlavními prvky, jež se v tvárné litině vyskytují jsou mimo železa: uhlík, křemík, mangan,
fosfor, síra a očkující - modifikační přísady, ve většině případů hořčík. V případě, že jsou pro
výrobu tvárné litiny použity předslitiny obsahující i jiné prvky, tak jsou v ní taktéž obsaženy. U
legovaných, nebo speciálních litin to mohou být prvky: nikl, měď, molybden, cín, titan, chrom
atd. Nikl a měď může do litiny přejít buď, jak uvedeno při výrobě z předslitin ( Ni-Mg a CuMg), nebo jako legující přísady; cer je při výrobě tvárné litiny vlastní očkovadlo a molybden,
cín, titan, chrom stabilizátory perlitu, nebo jako legující přísady. Poslední skupinu tvoří prvky,
jež mohou do litiny přejít z výchozích surovin při druhování a jejich přítomnost je většinou
nežádoucí. Je to olovo, vizmut, antimon, arsen, bor, hliník, vanad, zirkon a nejedná-li se o
legující přísadu též chrom, cín a titan.
Nutno zdůraznit, že pečlivá kontrola chemického složení je základem k získání litiny se zrnitým
grafitem a požadovanou konečnou strukturou základní kovové hmoty tvárné litiny!
tvárná litina a rovnovážný diagram
Fe – C - (Si)
Tuhnutí tvárné litiny ve shodě s rovnovážným diagramem železo-uhlík bylo popsáno
v kapitole 3. „tuhnutí-krystalizace-šedé a tvárné litiny“. (obr. 3.1 a 3. 11).
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
22
Tvárná litina
spiky-ostrý grafit: zrna grafitu s několika ostrými výčnělky, podobný krabovému-grafitu.
degenerovaná forma grafitu sestávající ze silných,
zkroucených lupínků podobných červům, jako důsledek nedokonalého zpracování primárním
očkovadlem, při nízkém zbytkovém obsahu tohoto prvku ve zpracované tvárné litině. Je
obdobou kompaktního grafitu.
vermikulární-červíkovitý
grafit:
vliv primárních prvků
na změny struktury a některé mechanické vlastnosti
tvárné litiny
Primární, tedy rozhodující prvky v tvárné litině jsou uhlík, křemík, síra, fosfor a mangan a to
vzhledem k tomu, že jsou prakticky přítomny ve všech vyráběných typech tvárné litiny..
Jejich vliv byl většinou sledován a diskutován samostatně přesto, že přítomnost jednoho
prvku, ovlivňuje účinnost i toho druhého, případně i dalších přítomných prvků.
Typické složení tvárné litiny je následující: 3,65% C, 2,40% Si, 0,01% S, 0,02% P a 0,40%
Mn. Je zřejmé, že uhlíkový ekvivalent (CE) je mnohem vyšší a obsah síry mnohem nižší,
než-li u běžných šedých litin. Vzájemná působnost uhlíku a křemíku činí nezbytným sledovat
vlivy těchto prvků současně přesto, že jejich individuální vliv je taktéž velmi významný a
nutno jej brát v potaz.
Uhlík a křemík
Oba tyto prvky jsou energetickými grafitisátory. Zvyšuje-li se jejich obsah v šedé litině, rostou
grafitové lupínky a mechanické vlastnosti se velmi zhoršují. Proto má být celkové
ekvivalentní množství uhlíku v šedé litině co nejmenší a u jakostních očkovaných litin se
pohybuje kolem 3,40 %.
U tvárné litiny tomu tak není. Uhlík, který je vyloučen v podobě kulových útvarů - zrn,
nenarušuje tak značně svým malým povrchem základní kovovou hmotu litiny a nepůsobí
vrubovým účinkem na základní kovovou hmotu v niž je uložen, jako lupínkový grafit.
Obr. 4.5. Hranice optimálního složení
uhlíku a křemíku v tvárné litině ;
Obr. 4.6 a, b. Soustava Fe – C – Si s 3% C a 2%Si /195/
Vzájemný účinek uhlíku a křemíku na některé vlastnosti tvárné litiny vyjadřuje tzv.
Hendersenův diagram (obr. 4.5) /192/.
Zatímco u běžně (komerčně) vyráběných odlitků z tvárné litiny se obsah uhlíku pohybuje
v rozmezí 3,0% až 4,0%, pak u tenkostěnných odlitků pro směrnou tloušťku stěny cca 3,5
mm je optimální udržovat obsah Si v rozmezí 3,5 až přes 4,0%, a pro tlustostěnné odlitky
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
23
Tvárná litina
(nad 40 mm a více) pod hranicí 3,5% Si. Kombinace složení s vysokým obsahem uhlíku
(přesněji uhlíkového ekvivalentu) a pomalé rychlosti tuhnutí a ochlazování vede k flotaci a
degeneraci grafitu.
Pro tenkostěnné odlitky (pod cca 12 mm) se doporučuje CE = 4,55%,
pro střední tloušťku stěn ( 12 až 40 mm) se doporučuje CE = 4,35 až 4,45% a
pro tlustostěnné odlitky ( nad 40 mm) se doporučuje CE = max. 4,3%.
Pro odstředivě lité odlitky měl by být CE limitován na hodnotu max. 3,5% , aby se zamezilo
povrchovému hromadění grafitu a tím i povrchovým vadám (vrásnění) na odlitku.
Během tuhnutí tvárné litiny je tvorba grafitu doprovázena objemovými změnami, takže pokud
klesá v litině množství uhlíku (a křemíku), zvětšuje se smrštění a tím i potřeba doplňování
tekutého kovu. Dle Hendersonova diagramu se pro docílení minimálních objemových změn,
doporučuje spodní limit CE udržovat na hodnotách kolem vztahu 3,9(%C + 1/7 %Si) a tím se
vyhnout nadměrnému smrštění. Pochopitelně je tento parametr pouze orientační, neboť na
celkové dilatace tuhnoucího odlitku, působí mimo C a Si i řada dalších činitelů.
Obecně se v tvárných litinách udržuje obsah křemíku v rozmezí 1,80% až 2,80%, ačkoliv je
možný i značně větší rozptyl (na příklad u litiny vzdorné opalu se obsah zvyšuje až na
6,0%Si). Vzhledem k tomu, že je Si silný grafitizátor, jeho nižší obsah v litině podporuje vznik
karbidů, což se může projevit zákalkami v rozích a na hranách odlitku, ale i přímo ve
struktuře jako mezibuněčné a osové karbidy. Vliv uhlíku a křemíku na mechanické vlastnosti
tvárné litiny musí být uvažován v souvislostech následujících proměnných:




vliv těchto prvků na počet zrn v tvárné litině
vliv těchto prvků na možnost perlitizace zajišťující vzrůst tvrdosti tvárné litiny (tvorbu
feritu a nebo perlitu v litém stavu, podmínky k žíhání a normalizaci);
vliv těchto prvků na vlastnost feritu přítomného ve struktuře;
vliv těchto prvků na kalení tvárné litiny (tvorbu martenzitu a nebo bainitu během
kalení a tepelného zpracování).
Křemík zvyšuje počet grafitových zrn, snižuje velikost buněk a potlačuje vznik karbidů
(ačkoliv tento účinek je časově omezen, neboť též závisí na doznívajícím účinku očkovací
látky), což se realizuje efektivním sekundárním očkováním. Zvyšující se počet grafitových zrn
je obyčejně doprovázen vyšším obsahem uhlíku a křemíku, předběžně zpracované základní
litiny grafitem, nebo ferrosiliciem anebo očkováním litiny ferrosiliciem.
Množství uhlíku, který se vylučuje v podobě zrn, nemá téměř na základní strukturu tvárné
litiny vliv. Velikost zrn je dosti různá, ale většinou nepřekročí 0,04 mm. Počet i velikost
grafitových zrn nezávisí na obsahu uhlíku, nýbrž na rychlosti a způsobu tuhnutí tvárné litiny.
Po odlití jsou grafitová zrna většinou vyloučena ve feritových dvorcích; u čistě perlitické
tvárné litiny jsou přímo v perlitu a někdy - hlavně v tenčích průřezech stěn odlitků –
v cementitu. Zrna grafitu uložená ve feritu jsou větší a mají členitější povrch a nepravidelnější
tvary, než-li zrna v perlitu nebo cementitu.
Během relativně pomalého ochlazování (buď ve stavu po odlití, normalizaci nebo vyžíhání)
tvárné litiny, v rozmezí kritické teplotní oblasti, transformuje se austenit v oblasti kolem
grafitových zrn na ferrit. Množství ferritu ve struktuře závisí na rychlosti ochlazování (čím
pozvolnější ochlazování, tím větší množství ferritu) a složení austenitu (všechen křemík je
přítomen v austenitu a vyšší obsah křemíku vede k vyššímu obsahu ferritu).
Pod kritickou teplotou, je všechen křemík rozpuštěn ve ferritu a ovlivňuje jeho vlastnosti .
Křemík stabilizuje ferit a zvětšuje interval přeměny v  fázi. Na tvar grafitu nemá, až do
obsahu cca 4,00 %, prakticky žádný vliv. Zvětšuje však po určitou hranici pevnost a tvrdost
feritu a potlačuje vznik perlitu.
Mechanizmus feritizace můžeme podle /195/ popsat následovně:
Uvažujme litinu (Fe – C – Si), jež se v období končícího tuhnutí skládá z grafitu a
nasyceného austenitu (E´) na obr. 4.6. b.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
24
Tvárná litina
a)
b)
Obr. 4. 24 a,b – Vliv obsahu křemíku a síly stěny odlitku z tvárné litiny na množství feritu při a)
nízkém obsahu Mn 0,08 – 0,09 %, b) při vyšším obsahu Mn 0,49 – 0,57 % /192/;
Obr.4.25 - Návrh maximálního
obsahu Mn při různém obsahu
Si pro maximální tloušťky stěn
odlitků (R. Elliot 192) ;
Zvyšující se obsah manganu má za následek vzrůst podstatné zvýšení pevnostních hodnot
tvárné litiny v litém stavu a mírné zvýšení těchto hodnot po vyžíhání. Mangan je pro tvorbu
perlitu asi pětkrát efektivnější jako nikl.
Mangan je taktéž velmi účinný a nenákladný pro zvýšení tvrdosti perlitu po normalizaci a
martenzitu při kalení a popouštění tvárné litiny. Na příklad legování 1,0% Mn a 1,0% Ni
umožňuje normalizaci tvárné litiny s až 180 mm tloušťkou stěn na tvrdost 300 HB. Tato
kombinace utváří jemné síťoví karbidů na hranici austenitických buněk (intercelulární síťoví –
obr. 4. 26)- síťoví snižuje hodnoty tažnosti. Při překročení obsahu manganu nad 0,70 % (což
však závisí na počtu grafitových zrn a přítomnosti dalších legujících prvků) lze výskyt
karbidického síťoví očekávat.
a)
Obr. 4. 26 – tvorba karbidu na hranici
eutektických buněk (1,02%Mn, 1,0%Ni,
tloušťka stěny 180 mm),
2000 x;
b)
Obr. 4.27a, b – vzorek z tvárné litiny (Mn 1,18 %,) ilustruje stabilitu
karbidického síťoví na hranicích zrn austenitu po 4 hodinovém ohřevu na
teplotě 9300C, a) – 250x, b) – leptáno 1000x;
Čas potřebný k feritizaci tvárné litiny, právě tak žíhací teplota se vzrůstajícím obsahem
manganu roste. To je patrno na shora uvedeném intercelulárním karbidickém síťoví. Obr. 4.
27a,b představuje strukturu vzorku z tvárné litiny s obsahem 1,18% Mn, se zbytkovým
karbidickým síťovým, po vyžíhání 4 hod na teplotě 9300C.
Má-li mít tvárná litina vyšší rázovou houževnatost (ať po odlití, nebo po vyžíhání), nesmí
obsah manganu přestoupit cca 0,5 %./202/. Z diagramu v obr. 4.28 je patrné, že se rázová
houževnatost značně snižuje počínaje obsahem 0,5% Mn.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
25
Tvárná litina
Z ekonomických a hygienických důvodu však nemohla tato metoda konkurovat výrobě
tvárné litiny modifikací hořčíkem.
vliv legujících prvků
na změny struktury a některé mechanické vlastnosti
tvárné litiny
Nikl
Nikl se do tvárné litiny přidává v množství 0,5-36%. Důvody jsou následující:



zajištění tvrdosti – k zabránění perlitické transformace (v rozmezí 0,5-4% Ni);
stabilizaci austenitu – podpora stabilizace austenitické matrice mikrostruktury (v
rozmezí 18-36% Ni);
k nízkoteplotním aplikacím – k vývoji feritické tvárné litiny s vyhovující pevností a
nízkým obsahem křemíku (v rozmezí 1-2% Ni);
Nikl se přidává do litiny ve formě kovových pelet (>90% Ni) nebo ve formě předslitin Mg-Ni,
nebo Mg-Ni-Si. V důsledku vysoké rozpustnosti Mg v niklu, rozpouští se Mg-Ni předslitiny
v litině klidně, bez turbulence a s minimálními světelnými efekty.
V litině se nikl rozpouští v jakémkoliv poměru. Je grafitizačním prvkem; redukuje rozpustnost
uhlíku v tavenině a snižuje množství eutektického uhlíku o 0,06% na 1% Ni. Nikl zvyšuje
stabilní eutektickou teplotu austenit-grafit a snižuje metastabilní eutektickou teplotu austenitkarbid železa a tak redukuje sklon k zákalkám a vylučování karbidů. Přibližně řečeno, má
třetinový účinek grafitizace křemíku.
Nikl je též stabilizátorem austenitu; snižuje též transformační teplotu gama-alfa. Austenitická
tvárná litina je stabilizována přísadou 18-36% Ni. (viz kapitola Ni-Resist TVL).
Při nižším obsahu nikl zvyšuje v tuhém roztoku tvrdost feritické fáze. 1% Ni zvyšuje tvrdost
feritu o cca 15 HB a mez průtažnosti o cca 40 MPa.
Nikl mírně stabilizuje perlit a proto je nevhodný ve feritických litinách v litém stavu. Přísadou
3% Ni lze získat perlitickou tvárnou litinu s pevností až kolem 800 MPa a tažností 3%.
Obr. 4. 43. – Vliv Ni na mechanické vlastnosti
tvárné litiny (3,7-4%C, 1,8-2,1%Si, 0,3%Mn,
0,03%P, vzorek d=20mm, výchozí struktura
20% perlitu), /207/;
Obr. 4. 44. – Vliv Ni na strukturu odlitků válců o průměru =12,5 až 100 mm, (3,3%C, 1,8%Si,
0,85%Mn, 0,5-1,0%Mo, 0-4,3%Ni) /192/;
Vliv niklu na mechanické vlastnosti tvárné litiny dle De Sy a Foulona /207/ je na obr.4. 43.
Nikl je účinným prostředkem k brždění perlitické transformace a je používán při výrobě litiny
s acikulární –jehlicovou strukturou v litém stavu a k získání martensitické struktury tepelným
zpracováním. Působnost niklu na kalitelnost litiny je významně podpořena přísadou
molybdenu a pro výrobu litin s jehlicovou strukturou po odlití se užívá legúr s kombinovaným
obsahem niklu a molybdenu.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
26
Tvárná litina
Na grafech v obr. 4. 44./192/, jsou vyznačeny oblasti jehlicové struktury v litinových tyčích,
v závislosti na obsahu niklu (0 až 4,5 %) a průměru zkušebních tyčí (12,5 až 100 mm) při
obsahu 0,5 % a 1,0% molybdenu.
a)
b)
Obr. 4. 45 a,b. - Vliv obsahu Ni a Mo na tvrdost tvárné litiny v tloušťce stěn 12,5 až 150mm,
a) litý stav, b) po normalizaci / 192/;
Diagramy v obr. 4. 45 představují vliv legůr Ni a Mo na tvrdost (HB) tvárné litiny v různých
tloušťkách stěn od 12,5 do 150 mm /192/.
Přísada 0,5-2,5% Ni působí účinně v litině určené k izotermickému kalení k eliminaci perlitu
ve struktuře. Vliv Ni ( a Mo) na kalitelnost v IRA diagramu (izotermickém rozpadu austenitu)
ukazuje obr. 4. 46.
Obr. 4. 46. – IRA diagram srovnávající vliv legování
1,5%Ni-0,3%Mo a 2,4%Ni-0,5%Mo s nelegovanou
litinou na kalitelnost tvárné litiny /192/;
Obr. 4. 47. – Vliv 1 hod. popouštění na normalizovanou
tvárnou litinu legovanou 2% Ni-0,55%Mo- 0,25%V
v různých tloušťkách stěn, do 150 mm /192/;
Nikl jako legura se též uplatňuje při výrobě tvárné litiny pro nízkoteplotní aplikace
v případech, kdy je vyžadována snížená transformační teplota mezi tvárnou a křehkou
oblastí. Feritické litiny s nízkým obsahem křemíku (1,5% Si) jsou legovány 1-2% Ni. Nikl je
přidáván speciálně pro zvýšení pevnosti litin majících transitní teploty pod 00C.
Rozsáhlé zkoušky s tvárnou litinou legovanou Ni a Mo zajišťoval N.L. Church /208/, na
vzorcích odebraných z kýlových bloků pro sílu stěny odlitků 1, 2 a 4 palce (25 až 100 mm)
Vliv Ni. – Přísada 4 až 5,2 % Ni vede k vývinu struktury s horním bainitem, s pevností kolem
120.000psi (827 MPa), a tažností 5 až 6 %. Od 6,3 do 8 % Ni vzniká struktura se spodním
bainitem a martensitem, s pevností cca 1217 MPa a tažností 1 až 2%.
K zajištění pevnosti kolem 170 000psi (1172 MPa) v tlustších stěnách odlitku je potřeba vyšší
obsah Ni. Horní bainit vzniká od cca 5,2 do cca 6% Ni, spodní bainit a martensit vzniká od
7,2 do 8 % Ni. Popouštění při teplotách 260C nebo 316C vede ke stejným pevnostem.
Popouštění při teplotě 316 C vede k větší elasticitě materiálu v důsledku převážně perlitické
struktuře a struktuře s horním bainitem.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
27
Tvárná litina
Struktura tvárné litiny
ve stavu po odlití
Shrneme-li vlivy jednotlivých prvků, jež byly v předcházející kapitole postupně probrány
zjistíme, že můžeme jejich vhodným výběrem a kombinací řídit strukturu i mechanické
vlastnosti tvárné litiny. Volba struktury, která má v podstatě největší vliv na mechanické
vlastnosti tvárné litiny, se řídí především podle toho, pro jaký účel se součásti z ní vyrobené
budou používat. Je sice pravdou, že příznivý tvar grafitu již sám o sobě značně zlepšuje
mechanické vlastnosti tvárné litiny ve srovnání s ostatními druhy šedých litin, ale
maximálních hodnot pro daný účel lze dosáhnout jen pečlivým dodržováním vhodného,
optimálního chemického složení.
Podle obsahu jednotlivých prvků v tvárné litině můžeme získat po odlití feriticko-perlitickou
strukturu s různým poměrem feritu a perlitu, nebo strukturu čistě feritickou, čistě perlitickou,
martenzitickou (acikulární-jehlicová), nebo austenitickou. Další přechodové struktury
(bainitické) možno získat tepelným zpracováním.
a) Feriticko-perlitická struktura s různým poměrem feritu a perlitu. Je to nejobvyklejší
struktura tvárné litiny a vzniká obvykle při tomto chemickém složení: 2,8 až 4,0% C,
1,8 až 3,0% Si, 0,2 až 0,8% Mn, max. 0,2% P, 0,01 až 0,007% S, a 0,04 až 0,12%
Mg.
Obr. 4. 74. Tvárná litina ve stavu po odlití a) – feritická, b) – feriticko-perlitická.
c) – perliticko- feritická, d – perlitická ;
2% nital 100x
Struktura feriticko-perlitická (obr. 4.74b) s převážným obsahem feritu obsahuje více
křemíku (2,6 až 3,2%) a méně manganu (0,5 až 0,2%). Vyznačuje se větší tažností a menší
pevností, než litina perlitická. Zvyšuje-li se obsah křemíku i manganu, roste při zachování
původní struktury poněkud pevnost, ale zmenšuje se tažnost a rázová houževnatost. Se
snižujícím se obsahem křemíku a manganu se naopak mírně snižuje pevnost a zvyšuje
tažnost a rázová houževnatost. Pro feriticko-perlitickou tvárnou litinu lze tedy doporučit
obsah cca 2,8% křemíku a pod 0,3% manganu. Feriticko-perlitické tvárné litiny se mohou
používat jak v litém stavu, taktéž po feritizačním vyžíhání.
Perliticko-feritická struktura (obr. 4.74c) s převážným obsahem perlitu obsahuje méně
křemíku (1,8 až 2,6%) a více manganu (nad 0,4 až 0,8). Tvárná litina tohoto složení má
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
28
Tvárná litina
velmi dobré a vyrovnané mechanické vlastnosti. Zvyšuje-li se obsah křemíku i manganu tak,
aby původní struktura zůstala zachována, roste poněkud pevnost litiny a tvrdost, ale snižuje
se její tažnost a houževnatost. Snižuje-li se naopak mangan i křemík, pevnost nepatrně
klesá, ale zvyšuje se tažnost a houževnatost. Pro perliticko-feritickou strukturu je tedy
vhodný obsah kolem 2,4% křemíku a cca 0,6% manganu. Perliticko-feritická tvárná litina se
velmi dobře hodí jak ve stavu po odlití, tak pro všechny druhy tepelného zpracování.
b) Feritická struktura (obr. 4.74a). Čistě feritickou strukturu v tvárné litině získáme dvojím
způsobem. Buď zvýšeným obsahem křemíku, nebo tepelným zpracováním (viz tepelné
zpravování tvárné litiny). Feritická tvárná litina s vyšším obsahem křemíku má poněkud vyšší
pevnost a tvrdost, než-li tvárná litina s nižším obsahem křemíku, získaná po feritizačním
žíhání. Všeobecně lze říci, že má-li mít feritická tvárná litina maximální tažnost a tvárnost,
musí obsahovat co nejméně manganu, fosforu a křemíku. Obyčejně mají feritické tvárné
litiny následující složení: 3,2 až 3,7% C, 1,8 až 3,0% Si, max. 0,4% Mn, max. 0,1% P. (dále
viz 95_XII.-Výroba odlitků str. 6 až 12).
c) Perlitická struktura (obr. 4.74d). V perlitické tvárné litině se obyčejně kolem grafitových
zrn vylučují feritické dvorce. Čím pomaleji tvárná litina chladne, tím jsou tyto dvorce větší. Při
dostatečně rychlém ochlazování a určitém složení litiny (nízký Si, vyšší Mn), lze v tenčích
průřezech odlitku získat čistě perlitickou strukturu. Všeobecně se však čistě perlitická
struktura bez přísady některých prvků nedá v širším rozsahu tlouštěk stěn odlitku prakticky
získat. Snižuje-li se obsah křemíku a zvyšuje obsah manganu, k získání čistě perlitické
struktury, je nebezpečí, že se v slabších stěnách odlitků současně vyloučí karbidy –
cementit.
Úplně perlitickou strukturu (obr. 4.75) bez volných karbidů lze však získat přísadou prvků
jako jsou měď a cín (str.32 a násl.). Tyto prvky brzdí přímou i nepřímou feritizaci a jejich
účinek se dá popsat takto /221/:
Obr. 4. 76 – Hromadění atomů Cu a Sn
v austenitu /1/.
Obr. 4. 75 – Perlitická tvárná litina 300 x
Měď a cín se lépe rozpouštějí v železe než v železe . To znamená, že vyloučený ferit je
chudší na měď a cín, než byl původní austenit. Naopak křemík je v železe  rozpustnější
než v železe , takže vyloučený ferit obsahuje více křemíku než ho obsahoval původní
austenit. Měď nebo cín se hromadí v austenitu v těsném styku s vyloučeným feritem (obr.
4.76)./1/. Tím se na hranici austenitu snižuje aktivnost železa a zároveň i vylučování feritu.
Jakmile dosáhne nahromadění atomů Cu nebo Sn stavu koloidního roztoku, může být
zabráněno přímé feritizaci. Není-li překročena hranice rozpustnosti, může teoreticky nastat
homogenizace. Pokuse týká nepřímé feritizace, je její brždění mědí a cínem mnohem méně
důležité. Možná, že zpomalení nepřímé feritizace je způsobeno nahromaděním mědi nebo
cínu na hranicích grafit – ferit. Toto nahromadění je způsobeno velmi pomalou difusí mědi
nebo cínu ve feritu a může brzdit růst grafitových krystalů, tj. grafitizaci a tím i feritizaci.
Tento předpoklad je podporován tou okolností, že v tvárných litinách, obsahujících měď nebo
cín, byla nalezena mnohem menší a méně zaoblená zrna grafitu než v tvárných litinách bez
přísady těchto prvků.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
29
Tvárná litina
V.
tepelné zpracování
tvárné litiny
Vhodně vyloučený zrnitý grafit má poměrně malý vliv na rozdíly mechanických, případně
fyzikálních vlastností tvárné litiny, takže ty závisí převážně na vlastnostech základní kovové
hmoty. Proto, již od samotného počátku vývoje tohoto materiálu bylo patrné, že je velmi
účelné působit tepelným, případně chemicko-tepelným zpracováním na strukturu tvárné
litiny a tím vhodně měnit její vlastnosti pro různé účely provozního využití. Vhodným
tepelným zpracováním a legováním lze dosáhnout vysoké tažnosti až nad 40%, značné
pevnosti a to až nad 1500 MPa a tvrdosti až cca 60HRc. Oblast použití tvárné litiny se tím
rozšiřuje jak k temperovaným litinám a tyto téměř vytlačuje, tak i směrem k ocelím. Při tom
v mnohých případech svými vlastnostmi překračuje před tím specificky používané určité
druhy materiálů.
S tohoto hlediska je patrné, že u tvárné litiny můžeme většinou použít podobné tepelné
zpracování jako u ocelí. Často lze zkušenosti s tepelným zpracováním ocelí a litin přímo
využít ke zpracování tvárné litiny.
Optimální teploty používané při tepelném zpracování tvárné litiny se však poněkud liší od
teplot při tepelném zpracování ocelí. Rozdíl spočívá hlavně v obsahu uhlíku a křemíku.
Běžně používané oceli mají nízký obsah uhlíku pod 0,5%, obsah křemíku je nepatrný. Při
tepelném zpracování se proto vychází z diagramu Fe – C (obr. 3.1).
Litina je v podstatě ternární soustavou Fe – C – Si, (obr. 5. 1), v níž musíme místo kritických
bodů přeměny uvažovat kritické teplotní rozmezí (obr. 5. 2).
Obr. 5. 2. Kritická teplotní oblast
slitiny Fe – C –Si, 0,8 až 3,2% Si;
/1/.
Obr. 5. 1. Rovnovážný diagram
Slitiny Fe – C – Si
<
pro 2,0 až 2,5% Si; /1/.
Přeměna austenitu tedy neprobíhá při konstantní eutektoidní teplotě (AC), nýbrž v teplotním
intervalu, za kterého jsou přítomny současně tři fáze: austenit, ferit a grafit. Na obr. 5. 1 je
znázorněn řez ternárním diagramem Fe – C – Si pro obsah 2,0 až 2,5% Si. Obsah uhlíku
kritické teplotní rozmezí v podstatě nemění. Zato křemík má velký vliv na horní kritickou
teplotu, kdy se z austenitu začínají vylučovat ferit a grafit. Tato teplota se lineárně zvyšuje se
stoupajícím obsahem křemíku. Při obsahu 0,8% Si činí horní kritická teplota 754C a při
obsahu 3,2% Si již 837C (obr. 5.2). Spodní kritická teplota, při které mizí poslední zbytky
austenitu, je přibližně stálá a činí 721 až 750C.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
30
Tvárná litina
Obr. 5. 3. Průběh ochlazování a výsledná
struktura feritické tvárné litiny; 400x /192/.
Obr. 5. 4. Průběh ochlazování a výsledná
struktura perlitické tvárné litiny 400x. 192/.
Obr. 5. 5. Kalení a popouštění (3700C)
martensitická struktura LKG 400x /192/;
Obr. 5. 6. výsledná bainitická struktura LKG
400x. /192/;
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
31
Tvárná litina
VI.
Metody tavení pro výrobu
tvárné litiny
(tavící pece a suroviny)
Prakticky všechny typy tavících agregátů použitelné pro tavení litin, šedých i temperovaných
jsou vhodné pro tavení litin, určených k výrobě tvárné litiny se zrnitým – kuličkovým grafitem. Tavící jednotky různých velikostí a rozměrů, různých energetických zdrojů a
různých technologií a výrobních procesů, mohou tak sloužit k přípravě taveniny pro výrobu
tvárné litiny. Při tom musí umožnit výrobu taveniny odpovídající následujícím požadavkům:






nízký obsah síry – 0,02% nebo méně, umožňující snížení přísady hořčíku k získání
zrnitého grafitu na minimum
relativně nízký obsah křemíku – 1,00 – 1,50%Si, při použití běžně používaných
předslitin hořčíku s ferosiliciem, a obsah 2,0 – 2,5%Si při použití čistého hořčíku;
vysoký obsah uhlíku – obyčejně 3,6 – 4,00%C;
vysokou teplotu odpichu (1450 až 15700C), v závislosti na použité modifikační
metodě;
nízký obsah tak zvaných zbytkových prvků ve vsázkových materiálech – chrómu,
mědi, molybdenu, vanadu a pod,
důslednost v dodržování výrobní technologie – přísná kontrola chemického složení
materiálů, teploty nataveného materiálu (teploty odpichu), mezioperační teploty, licí
teploty, atd.;
Shora uvedeným podmínkám vyhovují obyčejně nejlépe kupolové a elektrické indukční tavící
pece. Obloukové, plamenné a plynové pece se používají v mnohem menší míře. Konečný
výběr je pak souborem komplexních podmínek, jako dispoziční kapitál, druh provozu,
vsázkové materiály, odbornost pracovníků a provozní zkušenosti./238-249/.
Vzhledem k rozsahu tématiky tavení, odkazujeme k podrobnějšímu studiu na příslušnou
literaturu, která je v souhrnu uvedena v příloze této kapitoly.
1. Kupolové pece
Tavení v kupolových pecích možno rozdělit do dvou skupin: tavení v kysele vyzděných
pecích a tavení v zásaditě vyzděných pecích. Při tom je nespočetné množství možných
konstrukcí, zařízení, technologií a systémů, které jsou v současné době v provozech.
Výhody tavby v kupolových pecích možno shrnout následovně:





dobrá kontrola obsahu uhlíku a křemíku;
schopnost současného tavení šedé i tvárné litiny
nízké provozní náklady
plynulá, kontinuální dodávka potřebného množství litiny
široká paleta v možnosti použití vsázkových materiálů
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
32
Tvárná litina

možnost dosažení vysoké teploty odpichu.
Velkou nevýhodou při kyselém tavícím pochodu je vysoký obsah síry ( 0,08 až 0,17%S)
v natavené litině. Vysoký obsah síry musí být většinou před modifikací hořčíkem snížen.
(odsířením taveniny). Jinak je nutno zvýšit množství hořčíku při modifikací.
1.1. Kyselé tavby.
Je to v současné době nejobvyklejší způsob tavení litin vůbec./1/.
Při tavení v kuplovně s kyselou vyzdívkou se obsah síry v litině zvyšuje přechodem síry
z koksu, který zpravidla obsahuje 1,0 až 1,5% S.
Síra je v koksu obsažena ve dvou formách: jako síra sirníková a jako síra organická, nebo
elementární /238/.
Sirníková síra tvoří sírany železa, sirník vápníku (CaS) a někdy též sirník hořčíku (MgS). Při
spalování koksu tvoří organická síra a síra vázaná na železo prchavé kysličníky síry, které
jsou (nepřekročí-li teplota 10000C) částečně vázány na vápno popela nebo též přidávaného
vápence, a tvoří tak sírany nebo sirníky. Při vyšší teplotě se však tyto sírany i sirníky začínají
(od 8500C) rozkládat za vzniku kysličníku siřičitého (SO2) podle těchto rovnic:
4 CaO + 4 SO2 = 3 CaSO4 + CaS (mezi 650 až 8500C)
3 CaSO4 + CaS = 4 CaO + 4 SO2 (nad 8500C)
1.
2.
Silně redukční žhavý uhlík váže za přítomnosti vzdušného kyslíku kyslík kysličníku siřičitého
a uvolňuje se síra:
SO2 + C = CO2 + S
3.
Síra z koksu, která je vázána na vápno, je jen nepatrně spalitelná nebo schopná odloučení.
Při oxidaci tvoří z největší části síran vápenatý (CaSO4), další část se slučuje s kyslíkem ze
vzduchu na kysličník siřičitý (SO2) – nepřekročí-li teplota 10000C. Za teploty nad 10000C
působí kysličník siřičitý oxidačně na sirník vápenatý za tvorby elementární síry:
2 CaS + SO2 = 2 CaO + 3 S
4.
Síran vápenatý (CaSO4), vzniklý oxidací sirníku vápenatého (CaS), je buď zcela redukován
zpět na CaS, nebo se v neutrální a oxidační atmosféře za teploty nad 1 2000C rozkládá:
2 CaSO4 = CaO + 2 SO2 + O2
5.
V neutrální nebo oxidační atmosféře je naopak sirník vápenatý ve srovnání se síranem
vápenatým stálý i při vysokých teplotách
Síra z koksu, vázaná na hořčík, je volně sloučena a všechna vytěká. Za přítomnosti
kysličníku vápenatého se tato síra váže na sirník vápenatý a uvolňuje kysličník hořečnatý
podle rovnice:
MgS + CaO = CaS + MgO
6.
Roztavená litina se obohacuje sírou z koksu, za těchto podmínek:




přichází-li do styku se sirníkem železnatým, který může též vznikat reakcí tuhého
železa se sirovodíkem nebo sirnými parami;
stýká-li se s volnou sírou jako prvkem, (organickou sírou z koksu) nebo se sirnými
párami redukcí kysličníku siřičitého uhlíkem, sirníkem vápenatým nebo sirovodíkem:
SO2 + C = CO2 + S
7.
SO2 + 2 CaS = 2CaO + 3 S
8.
SO2 + 2 H2S = 2 H2O + 3 S
9.
stýká-li se roztavená litina za přítomnosti energicky odkysličující látky nebo v redukční
atmosféře se sirovodíkem nebo kysličníkem siřičitým;
odkysličená roztavená litina nebo litina pod oxidační struskou se obohacuje sírou při
styku se sirníkem vápenatým za předpokladu, že obsahuje volný kysličník železnatý,
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
33
Tvárná litina
se roztaví a vytvoří sklovitý krunýř, který dobře chrání modifikátor proti reakci; Teprve po
proražení tohoto krunýře z vnějšku, přes sloupec taveniny tyčí, nastává reakce. Tento postup
se nazývá trigger proces (spouštěcí proces). Pro Sandwich metodu možno též využít
čajníkový typ pánví (obr. 8. 5b).
Celkové tepelné ztráty u Sandwich metody činí, při dostatečném předehřevu pánve cca 40
až 600C. Metodu možno použít téměř bez omezení pro různou velikost pánví /301/.
Nevýhodou je nutnost použití výchozí taveniny s nízkým obsahem síry, celkem nestabilní
výtěžnost Mg a relativně velké pyroefekty, jak je u polévacích metod do otevřených pánví
běžné. Vzhledem ke své popularitě, byla Sandwich metoda podrobena hlubšímu průzkumu,
ke zjištění optimálních podmínek, tj. optimálnímu složení předslitiny z hlediska obsahu Mg,
optimálním zpracovacím teplotám, výtěžnosti Mgúč při zpracování a pod. (obr. 8.5.1,2,3)
/310, 311, 312, 313/. Optimální množství Mg v předslitině MgFeSi činí 6 - 6,5%. V rozmezí
teplot mezi teplotou odpichu (zpracovací teplotou při modifikaci) 15750C a licí teplotou
14500C, činí výtěžnost Mgúč = 55 až 71%. S rostoucím množství předslitiny MgFeSi (0,8 až
2%), klesá licí teplota a výtěžnost Mg.
Obr.8.5.1 Vliv výchozí teploty
taveniny na licí teplotu po zpracování
0,8 až 2,0% předslitiny MgFeSi s
6,5% Mg /313/;
Obr. 8. 5. 2. Vliv výchozí teploty
taveniny na výtěžnost Mgúč po
zpracování 0,8 až 2,0% předslitiny
MgFeSi s 6,5% Mg/313/;
Obr. 8. 5.4. Srovnání výtěžnosti hořčíku u
polévací a Sandwich metody při obsahu
hořčíku v předslitině MgFeSi 5 až 20% /314/;
Obr. 8. 5. 3. Vztah mezi výchozí teplotou zpracování
taveniny, množstvím předslitiny MgFeSi (6,5% Mg) Q,
licí teplotou a zbytkovým obsahem Mg v odlitku /313/;
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
34
Tvárná litina
Obr. 8. 5. 4. představuje podstatně vyšší výtěžnost Mg v předslitině MgFeSi u Sandwich
metody oproti normální polévací metodě.
Tundish cover zpracovací pánve („hrncové-sudové- pánve s víkem“)
Odhadovalo se, že ještě v roce 1978 bylo polévacími metodami (otevřené pánve a Sandwich
metody) vyráběno 65 až 70% tvárné litiny. V té době ještě metoda Tundish cover nebyla
vyvinuta. O deset let později, v roce 1988 bylo průzkumem zjištěno /302/, že v USA používá
přes 40% sléváren Tundisch pánve v různých modifikacích. Tento rekordní nárůst byl
způsoben podstatně vyšším využitím Mg cca 60-70%, podstatně menšími světelnými efekty
a zlepšenou hygienou práce, tedy zlepšením pracovního prostředí, které tyto metody
umožňují.
Obr. 8. 6. Tundisch pánev s pevným víkem, a) původní konstrukce,
b) nová konstrukce /300/
Metoda vychází z jednoduché premisy, že omezením přístupu kyslíku během reakce
taveniny s hořčíkem v modifikátoru se docílí dvojího efektu:
1. Při sníženém přístupu kyslíku vzniká mnohem menší množství hořčíkových výparůdýmu. Vytvořené množství těchto zplodin zůstává uzavřeno nad hladinou taveniny a
nemůže unikat do okolí.
2. Vzhledem k tomu, že jsou ztráty oxidací hořčíku podstatně menší, zvyšuje se využití
hořčíku pro vlastní modifikaci .
Tohoto účinku se docílí použitím speciálního víka, umístěného na zpracovací pánev, jejíž
tvar je v podstatě totožný z předcházejícími. Víko je konstruováno jako licí jamka (obr. 8. 6),
s otvorem k plnění pánve taveninou konstantní rychlostí. Modifikátor a krycí prostředek se
umisťují jako v předcházejících případech na dno pánve do vytvořeného zásobníku, jak
schematicky naznačeno na obr. 8. 6 až 8. Na příklad na obr. 8. 6a je zásobník vytvořen
vloženou rozdělovací přepážkou, na obr. 8. 6b vytvořenou stěnou. Proud taveniny z „licí
jamky“ směřuje mimo zásobník s modifikátorem a přepážka brání přímému styku čerstvé
taveniny s modifikátorem. Použitý krycí prostředek je pokládán ve slabší vrstvě, jako u
polévacích metod.
U dřívějších konstrukcí bylo používáno snímatelné víko (obr. 8. 7), které se na pánev
nasazuje po umístění modifikační předslitiny a krycího prostředku a po uskutečněné
modifikaci se sejme a modifikovaná litina se po případné další úpravě (např. sekundárním
očkování) odlije. Tato úprava umožňuje dobré odstranění strusky z pánve.
Přes průkazné efekty se metoda Tundish cover (tandiš kaver), v důsledku obtížné
manipulace s víkem rozšiřovala velmi sporadicky. Tento hlavní nedostatek byl částečně
odstraněn použitím upevnitelného víka k pánvi pomocí šroubů, klínových svorek nebo
zástrček, případně vyspárováním netěsností maltou, jak shora uvedeno. Tento způsob
však má nevýhodu vytváření struskové klenby v místech plnícího/odlévacího otvoru
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
35
Tvárná litina
různé modifikace–směsi, jak v konzistenci (použití prášků) tak uplatnění různých druhů
přísad (kalcium karbid, ferrosilicium, prvky vzácných zemin apod.) /331/.
Největší rozšíření bylo zaznamenáno v Evropě. Průzkum provedený v roce 2001 v 174
německých slévárnách prokázal, že metodu plněného profilu používá pro výrobu tvárné litiny
plných 33% ( polévací cca 55%, ponornou metodu 5%, překlopný konvertor 5,5 % a kolem
1,5% ostatní metody). /323, 324/.
b)
a)
Obr. 8. 21a,b. a) Schéma zařízení na zavádění plněných profilů ( drátů) do taveniny pro nižší výkony bez samostatného
odsávání; b) v kompaktním uspořádání /192, 300, 331/.
a)- Čárkovaně je naznačena poloha víka pánve před spuštěním do pracovní polohy, podávací zařízení a cívka s drátem je
umístěna na pracovním stole; b)- Doprava pánve pod plnící zařízení kolejovým vozíkem, podavač i cívka ve společné skříni;
Schematicky je zařízení na automatické zavádění plněného profilu dle různých uspořádání
znázorněno na obr. 8. 21., 22. a 23 .
Podstatou podávacího –plnícího- zařízení je většinou soustava poháněných kladek, mezi
nimiž prochází plněný profil-drát- a jimiž je, prostřednictvím vodící trubice zaváděn do
taveniny. Podávací (plnící) zařízení jsou jedno, nebo vícestopé,(vícepramenné) což
znamená, že mohou současně podávat i více druhů plněných profilů Na obr. 8.24a. je
pohled na kladkové plnící zařízení jednostopé, umístěné uvnitř plnící skříně. Na obr. 8.24b.
je pohled na plnící skříň se šestistopou (šestiramennou) soupravou. Na obr. 8.24c. je pohled
na dvoustopé (dvouramenné) uspořádání. Jeden pramen (drát) je odvíjen z cívky, druhý drát
je odvíjen z koše v horizontální poloze (v levém spodním rohu obr.). V plnícím zařízení jsou
oba prameny zavedeny do společné vodící trubice.
Drát-plněný profil sestává z nízkouhlíkaté ocelové trubky, která je naplněna hořčíkovou
slitinou a případně dalšími přísadami. Obsah hořčíku se ve slitině pohybuje v rozmezí 5 až
Obr. 8. 22. Schéma zařízení na zavádění plněných profilů ( drátů) do taveniny pro velké výkony
s odsáváním zplodin reakce- horizontální uspořádání, /323/;
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
36
Tvárná litina
Obr. 8. 23a. Zařízení na zavádění plněných
profilů- vertikální uspořádání, /321/;
Obr. 8. 23b. Zařízení na zavádění plněných profilůcelkový pohled; /332/.
98% a může být v různých formách (pevný celistvý drát, granule, prášek). Jeden celistvý
pramen může však obsahovat různé druhy materiálů, jak ukazuje obr. 8. 25. Pohled na
cívku ( balík) plněného profilu (drát). Hlavními parametry při zavádění plněného profilu do
taveniny k získání zrnitého grafitu jsou: - obsah síry v základní litině
- obsah hořčíku a složení plněného profilu
- geometrie zpracovací pánve
- teplota zpracování
- množství zpracované taveniny
- rychlost plnění (přísunu) profilu a celkový čas zpracování
- geometrie vodící trubice profilu
- konstrukční provedení zpracovací stanice
Obr. 8. 24a. Jednostopý (pramenný) podavač
(pohled do otevřené skříně), /333/;
Obr. 8. 24b. Šestistopý
(pramenný) podavač;
Obr. 8. 24c.-Schéma modifikace s dvoustopým
(dvoupramenným) podavačem, / 333/;
Rozhodujícím parametrem celého procesuje je, jako u ostatních metod, obsah síry
v základní tavenině. Jak známo, po zpracování taveniny hořčíkem, činí její zbytkový obsah
0,005 až 0,012%, takže jakýkoliv vyšší obsah zvyšuje potřebné množství Mg a tím i další
náklady na plněný profil a množství strusky v tavenině. Při použití taveniny z kupolové pece
by mněl činit obsah síry méně než < 0,080%, z el. pece méně než <0,015%.
Naproti tomu pokud je obsah síry v základní litině < 0,01%, na příklad 0,008%, pak nutno
obrátit pozornost k zajištění dostatku nukleačních zárodků, na příklad očkováním, nebo
přísadou pyritu (FeS2) neboť jich má litina v důsledku silné desoxidace, nízkému obsahu
kyslíku, ale i síry nedostatek.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
37
Tvárná litina
Obr. 8. 43a,b. Vertikální autoklávy na výrobu tvárné litiny pro vyšší tlaky - Mg se v tavenině
rozpouští, mechanické míšení taveniny, včetně sekundárního očkování, /300/;
Shrneme-li přednosti výroby tvárné litiny pod tlakem, tak je to možnost použití litin s běžným
obsahem síry 0,10 až 0,15 % ale i vyšším (až do 0,2-0,3%), s přesně řízeným obsahem
ostatních prvků (odpadají přísadové prvky, jako např. Si v předslitinách), nízké, téměř
teoretické množství modifikátoru (využití Mg až 85%) a tím i nižší teplota taveniny při
modifikaci (tepelné ztráty činí cca 20 až 30K). Nižší obsah strusky po modifikaci. Celý proces
trvá podle množství zpracovávané taveniny cca 5 až 12 min.
Autoklávy se obyčejně staví ve dvou velikostech a to na objem pánví 0,6 až 1,4 t, nebo 1,5
až 2,5 t. To pak odpovídá výkonům 6 až 14t/hod, nebo 15 až 25t/hod.
Celý proces je relativně bezpečný. Vývoj hořčíkových par je zanedbatelný, hygienický
nezávadný.
3.1.2. Výroba tvárné litiny v tlakové pánvi
3.1.2.1. Ponorný způsob:
Obr. 8. 44a-Tlaková pánev na výrobu tvárné litiny
/1, 339/;
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
Obr. 8. 44b-Sklopná tlaková pánev na výrobu
tvárné litiny /1, 339/;
38
Tvárná litina
Myšlenka využití tlakové pánve konstruované jako autokláv, následovala prakticky současně
s úvahami zavedení výroby tvárné litiny pod tlakem do provozu. Nejvýhodnější tvar pánve je
bubnový, s kruhovým hrdlem (obr. 8. 44a,b,c,d ).
Víko je opatřeno přírubou s klínovou drážkou pro asbestovou těsnící šňůru a do této drážky
zapadne po uzavření pánve kruhový výstupek příruby víka, takže těsnění je dokonalé. Pánev
se uzavírá šesti palcovými excentrickými držáky. Víko je vybaveno armaturou, která se
skládá z kohoutu pro přívod stlačeného vzduchu, z výfukového kohoutu, kontrolního
manometru a pojistného ventilu. Ve středu víka je zašroubována vodící matice, kterou
prochází těsně tyč, na jejímž spodním konci je upevněn slitek hořčíku. Tyč je před
očkováním držena v horní poloze závlačkou, opírající se o vodící matici. Spuštění tyče
s hořčíkem a tím i očkování se provede vytržením závlačky a působením závaží, které se na
tyč před očkováním nasazuje.
Obr. 8. 44d-Víko tlakové pánve na výrobu tvárné
litiny /1, 339/;
Obr. 8. 44c-Celkový pohled na tlakovou pánev pro
< obsah 1000 kg litiny / 1, 339/;
V důsledku velmi malého prostoru nad hladinou litiny, která dosahuje ke spodní úrovni hrdla
pánve, je natlakování na požadovanou hodnotu je velmi rychlé. Při nižším provozním tlaku,
než je tenze par Mg příslušející teplotě taveniny, není zabráněno prudkému varu a tím i
vývinu par a zvýšení tlaku v pánvi. Funkcí pojistného ventilu anebo zásahem obsluhy se tlak
upraví a reakce se může řídit jako u autoklávu.
3.1.2.2. Sklopný způsob
Druhým typem tlakových pánví jsou pánve sklopné (obr. 8. 44b). Hořčík je uložen
v děrované trubce a vsouvá se do pánve těsně před očkováním její boční stěnou, takže
prochází po celé šířce hladiny kovu. Po naplnění pánve taveninou (mírně nad polovinu),
vsune se do ní hořčíková náplň, uzavře se a vpustí stlačený vzduch. Pro očkování se pánev
sklopí asi o 80 až 1000 kolem své osy, čímž se hořčík ponoří pod hladinu taveniny. Po
skončeném očkování se pánev vrátí do původní polohy a provede sekundární očkování
FeSi. Úpravou tvaru pánve na hruškový typ se podstatně zmenší volný prostor nad hladinou
taveniny a odstraňuje nevýhoda sklopné modifikace v důsledku nižšího využití vnitřního
prostoru pánve.
3.2.Výroba tvárné litiny pod tlakem hořčíkových par.
Tento způsob výroby tvárné litiny vznikl prakticky současně s používáním čistého hořčíku při
modifikaci. Při provozní výrobě tvárné litiny pod těžkými kryty, jež dosedají přímo na pánev a
při užití štíhlých pánví s vysokou hladinou taveniny nad reagujícím hořčíkem se jeho využití
zvyšuje. Při nedostatečné hmotnosti krytu a nedostatečně dimenzovaném potrubí pro odvod
hořčíkových par bylo možno pozorovat i zvedání krytu a unikání par do prostorů slévárny (
obr.8. 45 ). Odpařování hořčíku pak probíhá za mírného přetlaku, vyvinutého hořčíkovými
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
39
Tvárná litina
Obr. 8. 54b Sklopná tlaková konvertorová pánev na výrobu tvárné litiny, objem 1 000 kg /354/;
a)
b)
c)
d)
Obr. 8. 55a,b,c,d. Postup při modifikaci litinové taveniny čistým hořčíkem v konvertorové pánvi,
a) plnění hořčíkem a litinou, b) modifikace, c) vylévání tvárné litiny, d) odstruskování; /352/.
Reakční komora přiléhá na stěnu konvertorové pánve a je plněna modifikátorem, z vnějšku.
Plnící otvor je uzavřen víkem, opatřeným těsněním.
Po naplnění pánve taveninou a modifikátorem se pánev uzavře a otočí o 900 do vertikální
polohy, takže je reakční komora s hořčíkem pod hladinou taveniny (obr. 8. 55b). Ferostatický
tlak P2 tlačí taveninu spodními otvory do reakční komory (obr. 8. 56b), nastává rozpouštění a
vypařování hořčíku. Tlak P3 v reakční komoře prudce vzroste, překonává tlak P2 a hořčíkové
páry pronikají do taveniny; to má za následek, že se tlak v reakční komoře opět sníží a nová
tavenina má možnost proniknout do reakční komory. Tento cyklus se opakuje s frekvencí cca
1 až 4 Hz (1 až 4x za sec.). Celková doba reakce pro úplné odpaření Mg trvá cca 90 až 120
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
40
Tvárná litina
a pohybu taveniny. Jeho odeznívací účinek je ve srovnání s jinými očkovadly velmi
rychlý. Teorie teplotních rozdílů v mikroobjemech je založena na vlivu velkého
přehřátí, vznikajícího exotermickými reakcemi při desoxidaci. Zvyšováním teploty
přehřátí na teplotu 1450 až 1500 0C roste obsah vázaného uhlíku. Přehřátí
způsobuje zjemnění grafitu a vlivem současného přechlazení jeho vylučování v
mezidendritickém tvaru. Nelze tedy mít zato, že k očkování, které je vázáno na
snížení přechlazení, dochází vlivem přehřívání kovu. Jasný vliv přehřátí kovu na
účinnost očkování je ovšem prokázán.
Často protichůdná odůvodnění jednotlivých teorií ukazují, že přes velký počet prací není
otázka očkování doposud teoreticky zcela uspokojivě a beze zbytku vysvětlena. Řada otázek
zůstává doposud na úrovni hypotéz.
2. Očkování tvárné litiny.
Úkolem grafitizačního očkování tvárné litiny, je právě tak jako u šedé litiny, zabezpečit
dostatečný počet grafitizačních zárodků při eutektické krystalizaci a tím odstranění sklonu
litiny ke karbidickému tuhnutí, tj. vylučování volného cementitu, ale i podnítit vznik
maximálního počtu eutektických buněk a počet zrn grafitu, což dává předpoklady co
nejvyšších mechanických vlastností tvárné litiny.
Litinová tavenina po primárním očkování modifikátory, především na bázi hořčíku má vysoký
sklon k vylučování karbidů - volného cementitu a všechen grafit nemusí být vyloučen
v dokonale zrnité formě; z toho důvodu musí být vždy sekundárně, tj. grafitizačně očkována.
Jádrem krystalizačních zárodků zrnitého grafitu jsou, sulfidy MgS, případně sulfidy CaS a
sulfidy dalších prvků, či kovů vzácných zemin (PVZ - KVZ), které jsou primárními produkty
modifikace. Podle / 379,380/, vzniká na jádru obálka křemičitanů typu MgO.SiO2 nebo 2
MgO.SiO2.. Mezi touto obálkou a grafitem je tak velké povrchové napětí, že obálka nemá
nukleační účinek. Po očkování FeSi, která obsahují krystalizačně aktivní látky, vzniká na této
oxidické vrstvě vnější vrstva komplexních silikátů, které mají hexagonální mřížku a velmi
účinně podporují nukleaci grafitu. Prvky které se při tvorbě této vrstvy nejvíce uplatňují jsou
Ca, Sr, Ba, které jsou obsahují komplexní očkovadla (obr. 9. 1a,b).
a.
b.
Obr. 9. 1.a,b - Krystalizační zárodek MgS v zrnitém grafitu /400/;
Obr. 9. 1 c - Krystalizační zárodek
MgS (SEM) ve vermikulárním grafitu
/401/;
Tyto hexagonální silikáty jsou na příklad typu SrO. SiO2, SrO.Al2O3.SiO2 , BaO. SiO2, a BaO.
Al2O3.2 SiO2., atd.
Na obr. 9. 1c je uvedena mikrostruktura krystalizačního zárodku z prací Tartara /401/, který
dokladuje stejný krystalizační proces při vzniku zrnitého i vermikulárního grafitu.
Jak typy očkovadel, tak i technika sekundárního, grafitizačního očkování tvárné litiny je
obdobná, jako u šedé litiny. Většina očkovadel je na bázi ferosilicia s různým obsahem
přísadových, většinou prvků vzácných zemin (PVZ – KVZ). Nejběžnější očkovadla, kterých
se přidává v množství 0,10 až 1,00 % obsahují 45 až 75 % Si, 0,50 až 1,25% Al a 0,50 až
1,00 % Ca.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
41
Tvárná litina
Vhodná očkovadla vytváří dostatek krystalizačních zárodků pro tuhnutí ve stabilní formě
grafit – austenitu. Obecně, čím větší je počet krystalizačních zárodků ve zpracovávané
tavenině, tím vzniká více menších, pravidelněji rozložených grafitových zrn ve struktuře
tvárné litiny a tím menší je sklon k vylučování karbidů.
Obr. 9. 2a,b,c prezentuje vliv grafitizačního očkování na strukturu tvárné litiny. V obr. 2a je
Obr. 9. 2a – Neočkovaná tvárná litina,
250x nital, /192/.
Obr. 9. 2c – Správně naočkovaná tvárná litina; 250x, nital;
/192/.
Obr. 9. 2b – Nedostatečně očkovaná tvárná litina;
100x, nital /192/.
Obr. 9. 2d – Odeznívající účinek očkování tvárné litiny,
karbidy a přechodné tvary grafitu; 250x,
Struktura neočkované tvárné litiny. Ve struktuře vykazuje převážně primární karbidy. Na obr.
2b je struktura nedokonale očkované litiny a ve struktuře vykazuje stále velké množství
primárních karbidů a místně i nedokonale vyvinutá zrna grafitu. Správně naočkovaná tvárná
litina nevykazuje ve struktuře žádné karbidy (obr. 9. 2c).
Největší efekt očkování je bezprostředně po naočkování tvárné litiny. Není však trvalý a
průběhem určité časové prodlevy, bez jakékoliv změny chemického složení, postupně
odeznívá, jak je zřejmé ze změny struktury na obr. 9. 2d. Pozorujeme opět výskyt primárních
karbidů a určitý rozpad zrnitého grafitu ve struktuře.
2. 1. Tvorba karbidů
Výskyt karbidů je silně závislý na průřezu stěn odlitků. Příčiny ovlivňující výskyt karbidů
v tvárné litině jsou proto všeobecně vztahovány na různé tloušťky stěn. Vliv licí teploty a
ekvivalentu uhlíku (C+1/3Si) pro různé tloušťky stěn jsou v obr. 9. 3a. Mikrostruktura v síle
stěny cca 3 mm odlité z teploty 13150C vykazuje 20% karbidů při CE = 4,39 %, ale pouze 2%
karbidů při CE = 4,60 %.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
42
Tvárná litina
X.
Inženýrské vlastnosti
tvárné litiny
Rozšíření tvárné litiny jako konstrukčního materiálu je podmíněno přesnou znalostí jejích
inženýrských, tj. mechanických i fyzikálních vlastností. Tvárná litina je svoji povahou v
podstatě uhlíková ocel, v jejíž struktuře je volně vyloučen grafit v podobě kuliček–zrn.U šedé
litiny s lupínkovým grafitem se mechanické vlastnosti řídí nejen množstvím, rozložením a
tvarem grafitu, ale i stavem základní kovové hmoty, kdežto vlastnosti tvárné litiny lze měnit
prakticky pouze změnou základní kovové hmoty. Vliv počtu a velikosti grafitových zrn ve
struktuře, které dnes již umíme částečně ovlivnit, má na vlastnosti tvárné litiny relativně malý
vliv. Tvárná litina má většinu mechanických vlastností lepších než-li šedá litina, ale zároveň
ztrácí některé cenné vlastnosti, jako je malá citlivost k vnějším vrubům, dynamická
houževnatost, schopnost útlumu a podobně. Mechanické vlastnosti jsou obsaženy
v normách, které jsou pro daný materiál tříděny dle úrovně jakostních hodnot. Mechanické
vlastnosti se zjišťují na zkušebních tyčích, nebo vzorcích odebraných buďto na odděleně
litých zkušebních vzorcích, nebo na přilitých zkušebních tyčích, nebo vzorcích.
Mimo mechanické vlastnosti jsou předmětem zájmu (především) konstruktérů další vlastnosti
a to fyzikální vlastnosti (hustota - měrná hmotnost, tepelná roztažnost, tepelná vodivost,
měrný elektrický odpor, magnetické vlastnosti a technologické vlastnosti (opotřebení,
adhese, koroze, opal). Tyto vlastnosti nejsou většinou normovány, ale jsou uvedeny
v prácích různých autorů.
Nelegované a nízkolegované
tvárné litiny
1. Normy a specifikace tvárné litiny (litiny s kuličkovým grafitem)
1. 1. Evropské normy tvárné litiny (litiny s kuličkovým grafitem ČSN EN 1563)
Původně, tak jako u ostatních druhů, zvláště kovových materiálů, postupem jejich vývoje a
zdokonalování jejich vlastností, vydávaly jednotlivé státy svoje národní normy a specifikace.
Tak tomu bylo i u nás. Původní norma tvárné litiny se skládala ze dvou částí: z technických
dodacích předpisů, označení ČSN 42 1242 a z jednoho materiálového listu, označeného
ČSN 45 54 42. Posledním vydáním byla norma ČSN ISO 1083 (42 0951) z ledna 1993.
Aktuálním vydáním je evropská norma ČSN EN 1563, která navazuje na shora uvedené
vydání z roku 1993 /410, 414/.
Tato evropská norma se zabývá klasifikací tvárné litiny (litiny s kuličkovým grafitem) dle
mechanických vlastností materiálu. Norma uvádí základní mechanické vlastnosti na
zkušebních tělesech zhotovených z:
 odděleně litých zkušebních vzorků
 zkušebních vzorků přilitých na odlitek nebo litých z téhož vtokového systému, dále
uváděných jako přilité zkušební vzorky
 vzorků vyřezaných z odlitku (pouze v případě dohody mezi výrobcem a odběratelem).
Norma se nevztahuje na tvárnou litinu (na litinu s kuličkovým grafitem) pro potrubí, armatury
a příslušenství. Ty jsou předmětem norem EN 545, EN 598, EN 969 a ISO 2531.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
43
Tvárná litina
Pro kombinaci vysoké houževnatosti a odolnosti proti opotřebení je třeba volit teplotu
izotermické přeměny v rozmezí 350 až 3750C. V případě potřeby vysoké pevnosti materiálu,
při dobré odolnosti proti opotřebení je nutno snížit teplotu izotermické přeměny na cca
2600C.
Obr.10a.34. Průběh povrchové tvrdosti
součásti z ADI vystavené abrasivnímu
opotřebení /419/.
Obr.10a.35. Vliv opotřebení a izotermické
teploty na množství stabilizovaného
austenitu ve struktuře součásti /419/.
Obr.10a.35a – Vliv teploty na vrubovou houževnatost ADI a
uhlíkatou ocel ;
3. Mechanické vlastnosti izotermicky kalené karbidické tvárné litiny
CADI
Jak uvedeno je CADI tvárná litina obsahující karbidy (které jsou získány buďto legováním,
zachlazením povrchu taveniny chladítky, mechanickým vnášením karbidů typu MxCy do
taveniny, nebo navařováním tvrdokovů, nebo karbidů typu MxCy), která je následně
izotermicky zpracována obdobně, jako tvárná litina ADI k získání matrice ausferitu s
optimálním obsahem karbidů. Legujícími prvky mohou být Cr, Mo a Ti /753, 754, 755/.
Tab.10a.XI. –Relativní odolnost proti abrasi vzorků v solné lázni /763/;
Ni-hard
ADI
ABRO 500
CADI
22% CrFe
1.0
0.76
0.4
1.15
2.0
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
44
Tvárná litina
V tab.10a.XI. jsou porovnány hodnoty relativní odolnosti vzorků vystavených opotřebení
v solné lázni u vybraných materiálů. Materiál ABRO je ocelový plech s povrchovou tvrdostí
cca 500HB. Nejlepší výsledky dává bílá litina s 22% chromu. CADI je na druhém místě,
blížící se odolnosti k litině Ni-hard.
Tab.10a.XII – Tvrdost vybraných materiálů a jejich odolnost
proti abrasi /764/;
Material
Tvrdost
HB
Tvrdost
HRC
Ztráta váhy
mg
CADI
43.7
17% CrFe
9.45
Tab.10a.XIII – Rázová energie vybraných
materiálů /764/;
Material
Rázová
energie (J)
CADI
13
Cementovaná ocel
17
22% CrFe
3
ADI Grade 2
321
32
76.7
ADI Grade 4
415
43.2
70.3
7003 LKG
49
Kalená LKG
59
52.8
Grade 5 ADI
52
Q&T ocel (0.8% C)
63
59
5506 ADI
58
139
Grade 3 ADI
91
35-45
Grade 1 ADI
117
4512 LKG
123
ASTM A514-T1A ocel
269
Ni-hard 1
V tab.10a.XII a 10a.XIII jsou pak srovnány další vybrané materiály a jejich charakteristiky a
postavení z hlediska tvrdosti, opotřebení a houževnatosti.
Obr.10a.36 – Odolnost proti bodové abrasi CADI ve srovnání s vybranými abrasi- vzdornými materiály v závislosti
tvrdost-úbytek hmotnosti. /753/.
Velmi názorný obraz o odolnosti proti opotřebení CADI ve srovnání s vybranými materiály
běžně používanými na součásti vystavené opotřebení udává obr.10a.36 /753/. Výhoda
CADI ve srovnání s ostatními materiály plyne z její výrazně vyšší houževnatosti, nežli u
ostatních materiálů (na př. litina 22%Cr Fe => 3J, CADI =>13J).
Litiny CADI našli uplatnění především u zemědělských a půdních strojů.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
45
Tvárná litina
Xb.
Inženýrské vlastnosti
tvárné litiny
Legované a austenitické tvárné litiny
Pro získání specifických vlastností, nebo ke splnění určitých provozních podmínek, které
vybočují s možnosti použití normální, nebo izotermicky kalené tvárné litiny, byly vyvinuty tři
další „rodiny“„ tvárných litin – austenitické (s vysokým obsahem niklu, tzv. litiny Ni-resist),
bainitické a feritické (s vysokým obsahem křemíku a molybdenu). Zatímco konvenční a
izotermicky zpracované litiny ADI obsahují určité limitní množství legujících prvků, především
k získání požadované mikrostruktury, legované tvárné litiny obsahují podstatně vyšší úroveň
legůr, které mají zajistit určité, nebo zvláštní specifické vlastnosti.
Vysoký obsah křemíku v kombinaci s molybdenem umožňuje výrobu tvárné litiny s čistě
feritickou strukturou, s vynikajícími mechanickými vlastnostmi a odolností proti oxidaci za
vysokých teplot.
Vysoký obsah niklu v kombinaci s určitým množstvím chrómu, dodává tvárné litině dobrou
odolnost proti korosi, v kombinaci s velmi dobrými mechanickými vlastnostmi jak při
zvýšených, tak při nízkých teplotách a řízenou expanzi a velmi dobré magnetické a elektrické
vlastnosti.
Bainitické tvárné litiny (pozor nejedná se o litiny ADI, ale o klasické zpracování na bainitickou
strukturu) zajišťují požadavek vysoké pevnosti a dobré odolnosti proti opotřebení, které lze
získat jednak ve stavu po odlití, nebo po tepelném zpracování užitím legůr v rozsahu 1 až
3% (Ni a Mo). V důsledku relativně velmi malého provozního využití bainitické tvárné litiny
není do této kapitoly zahrnuta.
1. Tvárná litina legovaná křemíkem a molybdenem
Legovaná tvárná litina s obsahem 4 až 6% křemíku buďto samostatně, nebo v kombinaci
s obsahem do 2% molybdenu splňuje požadavek vysoké pevnosti v oblasti vyšších
provozních teplot, na příklad pro součásti turbodmychadel a výfukových potrubí. Základní
požadavky kladené na tento druh odlitků jsou odolnost proti oxidaci, stabilita struktury
materiálu, pevnost a odolnost proti cyklickému tepelnému namahání.
Nelegované tvárné litiny udržují svoje mechanické vlastnosti do středních teplot (obr.10.25,
10.26, 10.31- str. 24 až 35 kapitola X) a dobře se osvědčují při cyklickém tepelném
namáhání (obr.10.50, str.35) a vykazují velmi dobrou odolnost oproti oxidaci ve srovnání
s nelegovanou šedou litinou (Tab.10.XVII, str.27, kap.X). Feritická tvárná litina vykazuje
menší nárůst při vysoké teplotě v důsledku stability mikrostruktury. Legování křemíkem a
molybdenem pak dále podstatně zlepšuje vlastnosti feritické tvárné litiny při vyšších
provozních teplotách.
Vliv křemíku (viz též kap. X. Str. 60 – 62, obr.10.82 a obr.10.83.)
Křemík zvyšuje stabilitu tvárné litiny za zvýšených teplot stabilizací feritu a tvorbou
povrchových vrstev obohacených křemíkem, které brání oxidaci. Stabilizace feritické fáze
redukuje růst tvárné litiny za vysokých teplot dvěma mechanizmy. Za prvé, křemík zvyšuje
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
46
Tvárná litina
XI.
Slévárenská praxe pro výrobu
odlitků z tvárné litiny
Požadavky na výrobu kvalitních přesných odlitků, s úzkou tolerancí rozměrů a dokonalou
strukturou bez vnitřních vad, staženin a ředin, se neobejde bez individuálního přístupu
k celému výrobnímu procesu a jeho dokonalé kontroly. To zahrnuje konstrukci modelového
zařízení, péči o kovovou substanci, formování, konstrukci vtokové soustavy, rychlost
odlévání, dimensi vtokové soustavy, použití filtrů, nálitkování atd.
Vlastnosti, které charakterizují tvárnou litinu, zejména druh a velikost staženin a vlastnosti,
které vyplývají ze způsobu výroby, určují výrobní postup odlitků z tvárné litiny. Způsob, jakým
se tvárná litina vyrábí, přináší především sklon k tvorbě oxido-sulfidických povlaků a
poměrně rychlé ztrátě zabíravosti vlivem snížené licí teploty kovu po reakci. Očkování
hořčíkem a i sekundární grafitizační očkování je totiž spojeno s tvorbou velkého množství
strusky- oxidů a sulfidů, které vznikají při celém procesu výroby tvárné litiny, s tendencí
proniknutí do vtokového systému a dále do formy, s následujícím znehodnocením kvality
odlitků.
Pro velký sklon tvárné litiny ke smršťování se její formovací technika blíží a přizpůsobuje
technice obvyklé u odlitků z ocelí. Jde proto především o usměrněné tuhnutí a při tom pokud
možno o pravidla vepsaných koulí.
V následujících odstavcích shrneme některé základní poznatky týkající se konstrukce a
výroby modelového zařízení z hlediska licí techniky tvárné litiny.
1. Konstrukce modelového zařízení-smrštění
Rozhodující pro konečné rozměry odlitků ve stavu po odlití je lineární smrštění, které
odpovídá konečné struktuře tvárné litiny v odlitku. Tvárná litina se vyznačuje tím, že
z počátku „narůstá“, což výhodně snižuje konečné lineární smrštění. Na příklad tvárná litina
s převážně perlitickou strukturou se smrští o cca 12mm/m. Vyžíháme-li tento odlitek na
feritickou strukturu, zvětší se jeho rozměru o cca 4mm/m. Odlitky se zcela feritickou
strukturou se prakticky po odlití nesmrští. Odlitky s karbidickou strukturou se smrští po odlití
o cca 16,6mm/m. Po úplném vyžíhání na feritickou strukturu se tyto odlitky opět zvětší o cca
25mm/m. S těmito skutečnostmi je třeba při výrobě přesných odlitků z tvárné litiny počítat.
V průměru se však při konstrukci modelového zařízení počítá s průměrným smrštěním 0,7 až
1%. Hodnota počátečního narůstání i celková hodnota lineárního smrštění závisí na složení
tvárné litiny. Nejmenší celkové smrštění vykazují litiny o eutektickém složení.
Hef
H
P
C
efektivní licí výška /cm/
vzdálenost mezi zářezy do dutiny formy a úrovní kovu v licí jamce při odlévání /cm/
výška odlitku nad zářezy /cm/
výška odlitku v dutině formy /cm/
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
47
Tvárná litina
(obr.11.1a,b,c.)
V obr.11.1.a,b,c jsou uvedeny možné případy umístění dutiny odlitku ve formě.
Obr.11.1a. Forma se zářezy ve
vršku dutiny formy (P=0).
Obr.11.1b. Forma se zářezy ve
stěně dutiny formy.
Obr.11.1b. Forma se zářezy ve
spodku dutiny formy, (P=C).
2. 2. Plocha zářezů
Minimální průřez ve vtokovém systému, který určuje rychlost průchodu kovu do formy je
většinou u přetlakového systému, průřez zářezů do dutiny formy.
Fz = (11,89 x Q)/ (x √ Hef )…………………4.
Kde značí
plocha všech zářezů /cm2 /
hmotnost odlitku včetně vtokové soustavy i s nálitky /kg/
licí doba /sec./
Hef efektivní licí výška /cm/
Fz
Q
nebo v návaznosti na vzorec 1. (podle Skarbinského) lze použít rovnice:
Fz = Q / (0,31 x  x √ Hef ………………………5.

součinitel odporu formy :
Druh formy
syrová
sušená
Odpor formy
velký střední
0,35
0,42
0,41
0,48
malý
0,50
0,60
Volba poměrů průřezů vtokový kanál(kůl) Fk : rozváděcímu kanálu (struskovánu) Fstr :
zářezům (Fz) se pro přetlakovou vtokovou soustavu doporučuje na příklad:
 Fk :  Fstr :  Fz = 4 : 6 : 3;
Z těchto poměrů pak lze vypočítat celou vtokovou soustavu.
Z rovnice 5 a uvedených poměrů byla sestavena Tab.11.III. pro surovou hmotnost odlitků od
10 kg do 12 000 kg.
manipulace s kovem vylučují, a nebyly před odléváním dostatečně odstraněny z hladiny
kovu, nevnikly při odlévání do vtokové soustavy a dále pak do dutiny formy.
Pro dimenzi vtokové jamky platí některé zásady, které byly ověřeny slévárenskou praxí.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
48
Tvárná litina
Hloubka licí jamky má mít troj až čtyřnásobnou výšku průměru vtokového kanálu, čímž se
absorbuje náraz taveniny z licí pánve. Šířka licí jamky musí být dostatečná, aby umožnila
odlévači zacílit proud taveniny bez nebezpečí rozlití taveniny mimo licí jamku na povrch
formy.
Kuželovému typu licí jamky je nutno se vyhnout, neboť způsobuje víření taveniny v jamce a
strhávání vzduchu do vtokového systému.
Doporučený tvar a rozměrové poměry licí jamky jsou v obr.11.2.
Obr.11.2. Konstrukce přenosného typu licí jamky pro odlévání tvárné litiny. /192,577/.
Vtokový systém
Ve slévárenské praxi se pro středně přetlakové vtokové systémy používá poměrů vtokový
kanál : rozváděcí kanál : zářez na příklad 4 : 8 : 3, nebo 4 : 6 : 3, nebo 2 : 4 : 1 .
Odlišnosti oproti vtokovým systémům pro šedou litinu:
Rozváděcí kanál: výška k šířce 2 : 1,
Zářezy: šířka k výšce 4 : 1.
3. Filtrace taveniny
Použití filtrů, zvláště keramických se velmi rychle rozšířilo i při odlévání tvárné litiny. Primární
důležitostí je omezení vad spojených s povrchovými, ale i s vnitřními nečistotami - vměstky,
vedoucími k znehodnocení odlitků jak ihned po odlití tak i po opracování, a redukce
rozměrů a hmotnosti vtokové soustavy. Oboustranná prospěšnost je výsledkem
odstranění, lépe řečeno zachycení kovových a nekovových částic - vměstků z taveniny, ve
správně volených a umístěných filtrech.
Kovové vměstky jsou, v případě tvárné litiny, nerozpuštěné částice modifikačních a
očkovacích přísad a legur, přisazovaných do taveniny při modifikaci, očkování a legování
před odléváním, nebo během lití.
Nekovové vměstky jsou oxidy, sulfidy, křemičitany, případně i další komplexní sloučeniny,
které vznikly jako produkty metalurgických reakcí taveniny s atmosférou, přísadami, licími a
transportními pánvemi, formovací směsí z forem a jader, nebo mezi jednotlivými prvky kovů
navzájem. Vznikají při tavení, metalurgickém zpracování kovu, během odlévání nebo tuhnutí,
a segregací prvků a vylučováním intermetalických fází v dutině formy. U tvárné litiny
převažují komplexní oxidické a sulfidické vměstky.
Mechanizmus zachycování vměstků filtrem závisí na druhu použitého filtru:

Zachycování vměstků a nečistot (filtrace) na čele filtru - tak zvaná sítová, nebo
„cedníková“ filtrace (screening type), při niž se zachycují částice větší, než jsou
otvory ve filtru (obr.11.2a) Uplatňuje se převážně u tzv. celulárních, nebo-li
komůrkových keramických (lisovaných) filtrů, a u filtrů tkaninových.

Zachycování vměstků a nečistot (filtrace) v nánosu - tak zvaném koláči, či briketě
(cake filtration)- vytvářeném předchozí filtrací slinováním, na čele filtru (obr.11.2b).
Jedná se prakticky o druhý stupeň předcházející, čelní filtrace, který je schopen
zachytit podstatně jemnější částice procházející tímto koláčem, tvořeným
zachycenými již částicemi. Uplatňuje se jako v předcházejícím případě u keramických
komůrkových a tkaninových filtrů.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
49
Tvárná litina

Zachycování vměstků a nečistot (filtrace) uvnitř filtru, tak zvaná hloubková filtrace,
která se uplatňuje působením nestejných, složitých rychlostí a tlakových poměrů a
v důsledku vzájemného působení povrchových sil v uměle vytvořených kanálcíchv řetištích - uvnitř filtru. Při tom se zachycují velmi drobné částečky-vměstky- o
velikosti několika mikronů (obr.11.2c,d). Při hloubkové filtraci se uplatňuje smáčivost,
povrchové napětí, morfologie a tvar vměstků, vzájemné chemické reakce mezi
vměstky a filtrem, ale i další činitelé. Nejedná se tudíž o pouhé proudění a působení
hydraulických sil, ale o komplex vlivů a činitelů. Zachycené zrno písku při hloubkové
filtraci je v obr.11.2d./540, 541/. Hloubková filtrace se uplatňuje u pěnových a
retikulárních keramických filtrů.
Obr.11.2c
Obr. 11.2a.
/540,541/.
Obr.11.2b.
/540,541/.
Obr.11.2d.
/540,541/.
Jak z předchozího plyne uplatňují se v podstatě obecně během plnění formy postupně,
všechny uvedené mechanizmy filtrace. Nejúčinnější je ovšem posledně uvedená hloubková
filtrace.
Tím, že filtr zachycuje vměstky a nečistoty nahrazuje prakticky funkci některých tradičních
prvků částí vtokové soustavy, jako jsou rozváděcí kanály (struskováky) a různé lapače
strusky a nečistot. Vtoková soustava s filtrem bývá proto jednodušší, kratší a má tudíž menší
hmotnost, což vede při sériové a hromadné výrobě ke značné úspoře materiálu.
Proudění kovu ve vtokové soustavě je obvykle doprovázeno intenzivním víření a turbulenci
proudu taveniny. To má za následek nejen možnou určitou erozi formy, ale i další oxidaci
kovu a strhávání plynů do proudu kovu. U tvárné litiny je nejdůležitějším reaktivním prvkem
hořčík, případně vápník a hliník, ale i další prvky, především vzácných zemin, které jsou
zdrojem intenzivní oxidace a vytváření stále nových vměstků a nečistot, které mohou vnikat
do dutiny formy. Proto je kladen velký důraz i na klidné proudění ve vtokové soustavě a
plnění formy.
Charakter proudění závisí na hodnotě Reynoldsova čísla, způsobu proudění a tlakových
poměrech v kanálech. Reynoldsovo číslo je funkcí rychlosti kovu, průměru kanálu a
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
50
Tvárná litina
Množství taveniny proteklé filtrem před jeho blokací činí v průměru dle typu filtru cca 3 až 6
kg na 1cm2 plochy filtru. Je to hodnota, z které můžeme vycházet při výběru velikosti a počtu
filtrů pro danou aplikaci.
4. Filtrace a metody zpracování taveniny ve formě – metody in-mold.
Od zahájení filtrace se techniky její využitelnosti velmi obohatily a v současné době se nabízí
řada způsobů, které jsou vhodné pro praktické využití. Schematicky jsou metody pro použití
filtrů znázorněny v obr.11.17. /540/.
Obr.11.17. Přehled způsobů využití filtrů při metodách zpracování taveniny ve formě, (metody In-mold ), /540/.
4.1. Očkování ve formě In-mold inoculation
Očkovadlo v licí jamce
Reakční komora je umístěna přímo v licí jamce . Podle /548/ jsou v licí jamce umístěny dvě
reakční komory umístěné na obou protějších stranách licího kanálu (kůlu), jak je zřejmé
z obr.11.18.
Obr.11.18. Licí jamka obsahující dvě reakční komory /548/.
V licí jamce je nad vtokovým kanálem a částečně i nad reakčními komorami pevně umístěna
odstranitelná krycí deska (štít), která rozděluje a usměrňuje proud taveniny do reakčních
komor, v nichž reaguje se zpracovací slitinou (očkovadlem). Zpracovaná tavenina pak
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
51
Tvárná litina
přepadá do licího kanálu a do formy. Speciálně upravené držadlo nad licí jamkou (není na
obr. znázorněno), udržuje krycí desku v požadované poloze při odlévání.
V obr.11.19. je způsob, kdy je reakční komora umístěna ve dně licí jamky, v místě přechodu
do licího kanálu /549/. Dno reakční komory je „uzavřeno“ spotřebovatelnou zátkovou
soustavou, která se po zaplnění reakční komory taveninou roztaví a uvolní vtok do licího
kanálu (kůlu).
Obr.11.19. Reakční komora umístěná v licí jamce před vstupem
do licího kanálu /549/;
Roztavitelná zátka má takové chemicko-fyzikální vlastnosti, které umožňují řídit dobu před
jejím roztavením a tím i dobu setrvání taveniny před vstupem do licího kanálu.
Dalším možným řešením je běžná licí jamka s přepážkou, která současně tvoří reakční
komoru. Zpracovací slitina-očkovadlo má tvar kubického, nebo válcového bloku, který je
buďto pevně ukotven ve dně licí jamky (obr.11.20a), nebo je do licí jamky volně uložen jako
plovoucí těleso (obr.11.20b) /550/.
Obr.11.20. Licí jamka s ukotveným (a) a s plovoucím (b) očkovacím blokem /550/.
Přepážka v licí jamce brání vstupu strusky a nerozpuštěných částic očkovadla do licího
kanálu. U plovoucího očkovacího bloku přepážka též brání jeho propadu do licího kanálu. Při
odlévání většího množství taveniny je vhodné použití licí zátky, jak je naznačeno
v obr.11.20a. Licí zátka má též funkci pozdržení průniku taveniny do vtokové soustavy a
možnost dostatečného natavení a rozpuštění očkovadla a jeho promísení s veškerou
odlévanou taveninou a dokonalé a účinné naočkování, případně legování taveniny v celém
objemu odlitku.
Očkovadlo v licím kanále
Celá řada metod využívá kompaktních očkovacích bloků různých tvarů, které se umísťují do
licích kanálů podobně, jako shora uvedené příklady uložení filtrů (viz obr.11.8a,b a 11.9a,b).
Ve shodě s japonským patentem /551/ se očkovací blok ve tvaru silnostěnného dutého válce
ukládá do licího kanálu dle obr.11.21a. Během odlévání prochází proud taveniny středem
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
52
Tvárná litina
Obr.12.40a,b,c. Části čerpadel na solární
solné medium pracující za zvýšených teplot
do 5600C /606/.
Tvárná litina Ni-Resist se též vyrábí jako kontinuálně lité profily /
Obr.12.41. Kontinuálně lité
polotovary z tvárné litiny NiResist.
4. Výroba odlitků z izotermicky kalené tvárné litiny - ADI
Základní informace o izotermicky kalené tvárné litině jsou uvedeny v kapitole „ 5. tepelné
zpracování v odstavci : 6.2. izotermické kalení – izotermicky kalená tvárná litina ADI“ a v
kapitole „92. Xa. Inženýrské vlastnosti tvárné litiny - Izotermicky kalené tvárné litiny“. Zde
bylo uvedeno, že optimální formou izotermického zpracování (astemperování) tvárné litiny,
jsou tvárné litiny typu ADI (Austempered Ductile Iron).
„Izotermicky kalená tvárná litina (* z anglického Austempered Ductile Iron –ADI-, z německého Bainitische
Gußeisen mit Kugelgraphit) získává svoje vlastnosti izotermickým tepelným zpracováním. Tento materiál se
vyznačuje vysokou flexibilitou svých vlastností, dobrou obrobitelností, vysokým poměrem mechanických
vlastností ke své hmotnosti, dobrou houževnatostí, dobrou odolností proti opotřebení a velmi dobrými únavovými
vlastnostmi. Jeho způsob výroby je zcela totožný s výrobou normální tvárné litiny. Své vlastnosti pak získává
tepelným izotermickým zpracováním. V řadě případů lze ADI srovnávat s litými a tvářenými hliníkovými slitinami a
litou a tvářenou ocelí.“
4. 1. Vliv chemického složení v IRA diagramech
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
53
Tvárná litina
Základní chemické složení ADI leží v oblasti běžného chemického složení normálních
tvárných litin. Obsah uhlíku se pohybuje od cca 3,3% (pro tloušťky stěn odlitků do cca 100
mm ) do cca 3,7% (pro tloušťky stěn odlitků do cca 25 mm). Obsah křemíku leží kolem 1,9
%, pro tlustostěnné odlitky kolem cca 2,4% do tloušťky stěn odlitků cca 25 mm.
Základním předpokladem pro docílení bezvadných výsledků po tepelném zušlechtění je
jistota, že se nebude při ochlazování na požadovaný mezistupeň tepelného zpracování
vylučovat perlitická struktura, tj. křivka ochlazování v diagramu teplota-čas, nebude protínat
křivku perlitického „nosu“ v diagramu IRA (obr.12. 42).
Obr.12.42. Schematické znázornění izotermického zpracování tvárné litiny ve
srovnání se zpracováním na martenzitickou a bainitickou strukturu / 607/.
Vzhledem k tomu, že v provozní praxi nelze často dosáhnout vhodné podmínky pro získání
požadované struktury, nutno využít účinku legujících prvků. Obvyklými legůrami jsou nikl,
měď a molybden a jejich kombinace, které prodlužují inkubační dobu pro počátek vylučování
perlitu Obsah manganu se udržuje na hranici svého stabilizačního účinku karbidů,
maximálně však do 0,5%.
Obr.12.43. ukazuje vliv molybdenu ( 0, 0,25 a 0,5% Mo) na posun křivek izotermického
rozpadu austenitu v diagramu IRA. Měřítkem vlivu jednotlivých legůr na kalitelnost je
všeobecně vzdálenost „nosu“ perlitické oblasti od použité linie, kterou nazýváme „inkubační
doba“ vylučování perlitu v IRA diagramu.
Obr.12.43. Vliv molybdenu na diagram IRA tvárné litiny 3,3%C,
2,6%Si, 0,3%Mn, /608/.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
54
Tvárná litina
Obr.12.49a. Procesní okno a oblast teplot, z nichž
lze zjistit základní podmínky pro výrobu ADI jakosti
EN-1564 stanovené na 2 litinách o složení :
litina 1: 3,6%C, 2,80%Si, 0,02%Mn, 1,02%Ni, 0,90%Cu,
0,04%Mg, austenitizační teplota 9000C; litina 2: 3,52%C,
2,64%Si, 0,67%Mn, 0,25%Mo, 0,25%Cu. austenitizační
teplota 9200C./616/
Obr.12.49b. Procesní okno a oblast teplot,
z nichž lze zjistit základní podmínky pro
výrobu ADI jakosti EN-1564 pro tři
austenitizační teploty, tj. tři různé obsahy
uhlíku v austenitu na počátku izotermické
prodlevy. Složení litiny: 3,50%C, 2,60%Si,
0,25%Mn, 0,27%Mo, 0,48%Cu, 0,16%Ni. 20 min.
na austenitizační teplotě. /616/
Diagramy v obr.12.49b a 12.49c ukazují působení uhlíku a manganu. Rozhodující při tom
není v litině jejich obsah, ale složení austenitu na začátku prodlevy. Obsah uhlíku v austenitu
je určován austenitizační teplotou. .Předpoklad rozpouštění při austenitizace, právě tak jako
vylučování uhlíku při ochlazování z austenitizační teploty na teplotu izotermické prodlevy zde
hrají rozhodující roli. Zvláště silně zde působí segregace na pozdější vylučování. Srovnání
diagramů v obr.12.49a-b- c ukazuje velmi silný vliv uhlíku a manganu. Není to jen posun
procesního okna na časových osách, ale i oblast maximálních hodnot pro dané okno (na
příklad určení maximální houževnatosti u kvality GJS-800-8 v obr.12.49a). V nepříznivém
případě je procesní okno zavřeno a nelze dále v této oblasti, již danou tvárnou litinu ADI
vyrábět a je nutno změnit některé jiné parametry (na příklad snížit izotermickou teplotu).
Naproti tomu na příklad, při vyšším obsahu manganu u daného typu tvárné litiny, možno celý
proces změnit na příklad snížením austenitizační teploty nebo změnou jiné operace (jiného
stupně) izotermické přeměny.
Obr.12.49c. Poloha procesního okna pro litiny
s obsahem 0,25, 0,37 a 0,67 %Mn ; základní
složení litiny ADI: 3,40%C, 2,50%Si, 0,25%Mo,
0,30%Cu. austenitizační teplota 9200C./616/.
Obr.12.49d. Vliv vysokého počtu (250 mm-2 )
a nízkého počtu (100 mm-2 ) grafitových zrn na
polohu procesního okna u tvárné litiny 0,2% Mn, a
0,4%Cu. austenitizační teplota 3900C /617/.
Proces izotermického zpracování tvárné litiny ovlivňuje též počet grafitových zrn ve struktuře.
Vyšší počet grafitových zrn urychluje pouze první stupeň přeměny, na druhý stupeň nemá
prakticky vliv, takže se tvar procesního okna protáhne (rozšíří). Dalším účinkem vyššího
počtu grafitových zrn ve struktuře je zjemnění a zrovnoměrnění ausferitu, což vede ke
zvýšení pevnosti, nárazové práce a tažnosti ADI.
Souvislosti mezi chemickým složením, vlastnostmi hotové součásti, strukturou která
neobsahuje perlit před izotermickém tepelném zpracování, obsah legujících prvků nezbytný
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
55
Tvárná litina
XIIa.
Výroba odlitků z tvárné litiny II
1. Výroba odlitků z izotermicky kalené karbidické tvárné
litiny - CADI
Základní informace o izotermicky kalené tvárné litině jsou uvedeny v kapitole „ 5. tepelné
zpracování v odstavci : 6.2. izotermické kalení – izotermicky kalená tvárná litina ADI , v
kapitole „92. Xa. Inženýrské vlastnosti tvárné litiny - Izotermicky kalené tvárné litiny“ a
v předcházející kapitole XII. odstavec 4., str.25 až 46.
1. 1. Základy výroby tvárné litiny CADI
Karbidická tvárná litina patří do skupiny tvárných litin obsahujících karbidy, případně nitridy.
Karbidy vznikají buďto přímo v průběhu výroby při vlastním tepelném zpracování, nebo
mechanicky, vnášením abrasivních materiálů. Poté následuje vlastní izotermické zpracováníausferizace, čímž se získá přiměřená houževnatost a vynikající odolnost proti opotřebení
výsledné tvárné litiny.
Odlitky z CADI se objevují od roku 1990, kdy je dodává pouze několik výrobců v USA a
Velké Británii. Poté se uplatňují a rozšiřují, jako náhrada za otěruvzdorné chromové litiny a
oceli. Doposud však není standardizována a zařazena do normalizace a materiálových listů.
Metody vzniku karbidů v tvárné litině CADI:

„Lité“ – v litém stavu (as-cast) karbidy
o Vnitřní karbidy (vliv přísadových prvků - nebo inverzní zákalka)
o Povrchové karbidy – zákalky (limitovaná hloubka, usměrněné)

Mechanicky vnášené karbidy (metody a materiály práškové metalurgie)
o Zalévané (Cast-in), drcené a mleté MxCy karbidy (slinuté karbidy)
o Zalévané prefabrikované (uměle vytvořené) slinuté karbidy (tvarované)

Karbidické sváření –navařování (Welded)
o Ztvrzování povrchu navařováním (hardface weldement)
o Zanášení MxCy drtě, slinutých karbidů do navařovaného materiálu
Karbidy v litém stavu :
Vnitřní karbidy (vliv přísadových prvků - nebo inverzní zákalka)
Výroba tvárné litiny probíhá standartním způsobem. Karbidická struktura může být vyvolána
různými způsoby. Na příklad legováním prvky stabilizujícími ve struktuře karbidy, jako
chrom, mangan, molybden, titan, případně i další.
Kontrolou a řízeným ochlazováním odlitku po odlití, (na příklad řízeným vybalováním odlitku
z formovací směsi při vytloukání), nebo hodnotou CE a vhodného řízeného tuhnutí zajistit
podeutektické tuhnutí litiny, apod. Takto vzniklé karbidy mohou být následně při řízeném
tepelném zpracování „rozpuštěny“ na požadovaný procentuelní podíl ve struktuře. Poté
následuje normální izotermické zpracování se vznikem ausferitu.
Vlastislav Otáhal
56
Technicko-ekonomické poradenství
Tvárná litina
Na obr.12a.1 je struktura CADI s podílem 65% karbidů v tzv. litém stavu ve struktuře,
s následnou prodlevou –austemperována- na teplotě 2600C. Vzorek má plynulou, kontinuální
karbidickou strukturu, která silně snižuje jeho houževnatost. Zbytek struktury tvoří ausferit.
Obr.12a.1 - CADI s 65% karbidy v litém
stavu (ausferizace při 2600C) /754,755/;
Obr.12a.2 - CADI s 40% karbidy v litém
stavu (ausferizace při 2600C) /754,755/;
Obr.12a.3 - CADI s 30% karbidy v litém
stavu (ausferizace při 2600C) /754,755/;
V obr.12a.2 je obdobně zpracovaná CADI, jako v předešlém případě, s nižším, 40%
obsahem karbidů. Karbidy byly oproti předchozímu způsobu „rozpouštěny“ delší prodlevou
na austenitizační teplotě. Zbytek matrice tvoří ausferit. Teplota ausferizace činí jako
v předešlém případě 2600C. Struktura má poněkud vyšší opotřebení, ale i vyšší
houževnatost. V obr.12a.3 je CADI s obsahem 30% karbidů.
Povrchové karbidy od vnějších chladítek (kokil)
Vznikají jako zákalka od vnějších (případně i vnitřních) chladítek-kokil z různých, vhodně
volených materiálů s vysokou tepelnou vodivostí a různou (dle potřeby volitelnou) tloušťkou.
Při styku s chladítky vznikají povrchové karbidy ve struktuře, kolmo k povrchu odlitku. Takto
vyrobené odlitky jsou dále izotermicky tepelně zpracovány na požadovaný obsah karbidů
jejich řízeným „rozpouštěním“, jako v předešlém případě, s následující ausferizací. V tepelné
ose konečného odlitku mohou, ale nemusí být volné karbidy.
Mechanicky vnášené karbidy
Zalévané (cast-in), drcené (mleté) MxCy karbidy (slinuté karbidy) používá chráněným
(patentovaným) způsobem výroby fa. Sandvik Corporation. Při tomto procesu se slinuté
karbidy ukládají (nanášejí) cíleně na stěny dutiny formy, na příklad jako nátěry. Po zalití
formy kovovou taveninou se povrch kovu nasytí přítomnými karbidy a mechanicky se spojí
s tuhnoucí povrchovou vrstvou odlitku. Výhodou této metody je vysoká odolnost proti
opotřebení, případně korozivzdornost pouze v požadované oblasti vystavené opotřebení
nebo korozi, přičemž má celý odlitek vynikající mechanické vlastnosti dané konečnou
kvalitou litiny ADI. Zalité karbidy nejsou většinou dotčeny tepelným izotermickým
zpracováním a zůstávají v původním stavu.
Zalévané prefabrikované - (tvarované, uměle vytvořené) polotovary ze slinutých karbidů
Obdoba předchozího způsobu. Karbidy jsou však předběžně vytvarovány dle žádaného tvaru
a do dutiny formy vkládány na exponované místo podobně jako vnitřní chladítka (na příklad
pomoci vnitřních jader apod.). Tvarované karbidy mohou mít na zadní straně klínovité
výstupky nebo hřeby, které po zalití taveninou bezpečně fixují polohu polotovaru karbidů v
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
57
Tvárná litina
2. Výroba odlitků do trvalých forem
Výroba odlitků do trvalých forem nebo gravitační odlévání, nebo též odlévání odlitků do kokil,
využívá opakovaného odlévání do téže trvalé kovové formy. Jedná se o jednu z variant
výroby přesných odlitků, využívající trvalé formy, u nichž rychlé dynamické tuhnutí, umožňuje
bezprostřední uvolnění a vybalení odlitku z formy; to značně zkracuje výrobní cyklus odlitku
a zlepšuje mechanické vlastnosti odlévaných součástí /769 až 776 /.
Typické konstrukční řešení tlakové formy na odlévání obou dílů ojnice z tvárné litiny je
v obr.12b.1. Sestává z dutiny formy a centrálního pískového jádra, které má dvě známky
umístěné na protilehlých stranách v každé polovině formy; licí jamka je též z formovací směsi
s osazením pro uložení filtru (cedítka). Forma je opatřena chladícím a vyhazovacím
systémem.
Obr.12b.1 – Typická konstrukce trvalé tlakové formy na odlévání ojnic s víkem pro
tvářecí lis /769/;
Tavenina se odlévá přes vtokovou jamku a cedítko do formy. Dokonalé zaplnění formy
taveninou zajišťují pomocné výtoky-výfuky ve spodní části formy. Forma je opatřena
ochranným nátěrem. Hlavním faktorem ovlivňujícím životnost formy a kvalitu odlitku je
tepelný šok taveniny na stěny formy. Režim formy probíhá v rozmezí teplot 150 až 3000C a
vystavuje ji tím erozi kovu a tepelným pnutím. Obvyklým materiálem forem je litina, ocel nebo
slitiny mědi. Nejobvyklejším materiálem je šedá litiny s grafitem typu A, která nabízí dobrou
tepelnou vodivost a žárovzdornost.
Nátěry trvalých forem
Ochranné nátěry zajišťují izolační bariéru mezi taveninou a kovovou formou k její ochraně
proti tepelným šokům a možnému natavení formy a přilnutí odlitku k formě. Nátěry také
snižují tření a tepelné ztráty a tím brzdí prudké primární tuhnutí kovu při styku s formou.
Ochranné nátěry značně prodlužují životnost forem.
Ochranné nátěry jsou dvojího druhu, nanášené na líce forem po sobě. První vrstva vytváří
ochrannou tepelnou barieru, která se aplikuje přímo na stěny formy před jejím uvedením do
výrobního cyklu. Je to semi - permanentní nátěr, který se aplikuje periodicky, v určitých
cyklech.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
58
Tvárná litina
Sekundární ochranný nátěr je mazadlo, obyčejně obsahující uhlikaté komponenty (grafit),
který se aplikuje na povrch formy před každým odléváním. Může to být na příklad
žáruvzdorný nátěr vodního typu který se nastřikuje na formu předehřátou na teplotu 120 až
1500C, nebo pevný keramický nátěr, který se aplikuje termickou nebo plasmovou technikou.
Konstrukce chladících systémů trvalých forem
Chladící systém rozhodující měrou prodlužuje životnost formy a kvalitu odlitku. Umožňuje
kontrolu chlazení a usměrněného tuhnutí odlitku. Rovnoměrné a plynulé ochlazování bez
koncentrace tepelných oblastí – uzlů prodlužuje životnost forem (tepelné šoky a eroze),
snižuje vnitřní zbytková pnutí, zvyšuje vnitřní kvalitu odlitku a snižuje možnosti trhlin a
prasklin v odlitku.
K zajištění požadovaného, rovnoměrného ochlazování forem se využívají dva způsoby:
chlazení a to chlazení vzduchem a chlazení vodou. Chlazení vzduchem dává velmi „měkké“
chlazení, s pozvolnou rychlostí ochlazování – a je vhodné pro výrobu tenkostěnných odlitků.
Naopak u silnostěnných odlitků je nevhodné a proto se zde převážně využívá chlazení
vodní.
Vzdušní chlazení trvalých forem
Vzdušné chlazení je nejjednodušší způsob chlazení trvalých forem. Způsob využití je však
omezen relativně malou účinností, tj. schopností odvodu tepla z formy do okolí. K zvýšení
efektivnosti se může využít stlačený vzduch a konstrukce vlastní formy, snížením tloušťky
stěn a vhodným žebrováním.
Obr.12b. 2a,b – Konstrukce trvalé formy chlazené vzduchem, a) – žebrování kopíruje
obrysy formy, b) – žebrování s rovinnou základnou /769/;
V obr.12b. 2a,b je varietní řešení konstrukce žebrování vzduchem chlazené trvalé formy.
V prvém případě (a) je forma konstruována jako skořepina o určité tloušťce stěny a
žebrování kopíruje obrysy dutiny formy. Jednotlivá žebra nemají stejnou výšku.
Ve druhém případě (b) je forma celistvá a žebra navazují v určité vzdálenosti od dělící roviny
formy a nekopírují obrysy dutiny formy, takže mají stejnou výšku. V prvém případě je
ochlazování účinnější. Životnost vzduchem chlazených forem je delší, jako forem chlazených
vodou.
Vodní chlazení trvalých forem
Při vodním chlazení trvalých forem se využívá řada možných konstrukcí a systémů.
V následujícím je uvedeno několik nejužívanějších.
Chladící kazeta (skříň) přivařená k formě
V obr.12b.3 je konstrukce vodního chlazení, kdy je chladící kazeta vytvořená jako skříň a je
pevně přivařena k zadní, rubové straně formy, která je vyrobena jako skořepina. Ochlazování
odlitku je rovnoměrné a plynulé, bez tepelných uzlů. Trvalá forma je vyrobena většinou
z nízkouhlikaté oceli aby byla dobře svařitelná s chladící skříní. Síla stěny se volí kolem 25
až 40 mm. Její životnost je poměrně dlouhá, neboť může být, v případě prasklin, trhlin nebo
eroze opravena zavařováním.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
59
Tvárná litina
XIII.
Vady odlitků
z tvárné litiny
Většina vad projevujících se v odlitcích ze šedé litiny se též může vyskytovat v odlitcích
z tvárné litiny. K tomu pak přistupují vady, které se mohou vyskytovat pouze u odlitků
z tvárné litiny. Příčiny vzniku některých z těchto vad však nejsou zcela jasné a v některých
případech se též názory na jejich vznik a způsoby jak jim čelit poněkud různí.
Jak je z předcházejícího přehledu zřejmé (kapitola 8.-výroba tvárné litiny), existuje celá řada
způsobů a metod výroby odlitků z tvárné litiny. Každá z nich má svoje výhody, ale i limity.
Žádná z těchto metod a technik však není univerzální a není používána pro všechny typy,
druhy a velkosti odlitků. S ohledem na vznik vad odlitků, musí být brány v úvahu všechny
možné variace a okolnosti zahrnující tavení, zpracování modifikátorem, hlavně hořčíkem,
očkování, odlévání, formování, vtokové a nálitkové techniky a vybalování (vytloukání) odlitků
z formy. V následujícím shrnujeme a prezentujeme současný stav informací o těchto vadách,
jejich identifikaci a způsobech jak jim čelit.
Vady struktury
Flotace - plavení (vyplouvání) grafitu /645, 646, 647, 648, 649/
Grafit má podstatně nižší hustotu, tedy měrnou hmotnost jako železo. Má tedy při vylučování
v tavenině tendenci k vyplouvání - flotaci. Jestliže má grafit možnost ještě před ztuhnutím
odlitku ve formě flotovat, pak se koncentruje ve vršku odlitku, případně ve stěnách odlitku,
těsně pod jádry. V případě porušení odlitku, možno pozorovat přímo na lomu tmavé oblasti
koncentrace grafitu. V obr.13.1a,b. je příklad koncentrace grafitu patrný na lomových
plochách zkušebních vzorků po lomu Charpyho beranidlem ( provedení bez vrubu –a) a
s vrubem –b).
a)
b)
Obr.13.1a,b. Povrch lomových ploch po Charpyho lomových zkouškách, ukazujících flotaci grafitu.
a) - vzorky bez vrubu, b) – vzorky s vrubem , tmavé oblasti s flotovaným grafitem /192
Koncentrace uhlíku v tmavě šedé oblasti se pohybuje kolem 5,0 až 6,0 %. Mechanické
hodnoty materiálu, zvláště pevnost v tahu, tažnost a rázová houževnatost jsou v oblasti
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
60
Tvárná litina
Obr.13.13 a,b. Inverzní zákalky s primárními, jehlicovými karbidy, nital,
/192, 660/.
a-x 200, b- x250,
Obr.13.14a,b představují segregované karbidy způsobené segregací manganu.
Obr.13.14a,b. Segregované karbidy (manganu) na hranicích eutektických buněk, a- x
400, b- x 1000, /651/.
Vznik všech třech typů karbidů možno eliminovat účinným očkováním, vysokým počtem
grafitových zrn a nízkým obsahem karbidotvorných prvků. Těmito prvky jsou chrom, bor,
molybden, vanad, mangan a měď v množství nad 1%.a jsou zvláště nebezpečné pro výskyt
segregovaných karbidů na hranicích eutektických buněk. Limitní obsahy pro chrom, vanad a
mangan činí 0,08, 0,04 a 0,60%. Tyto karbidy jsou obtížně odstranitelné i tepelným
zpracováním. Vysoký obsah křemíku snižuje sklon k eutektické segregaci a obrácené
zákalce. Obsah křemíku nad 2,6% však vede ke zkřehnutí struktury.
Všeobecná opatření k omezení tvorby karbidů:
1. Použití vsázkových materiálů, surových želez a tříděného ocelového odpadu o
vysoké čistotě.
2. Nepoužívat materiály s nízkým obsahem uhlíku a křemíku.
3. Použití efektivních očkovadel až v poslední etapě výrobního cyklu, tj. až po
ukončeném zpracování taveniny hořčíkem.
4. Okamžité odlévání po naočkování taveniny.
5. V kritických případech využití opožděného očkování ve formě, nebo v licím proudu.
6. Vyloučit možnost proniknutí vodíku do taveniny ve vtokovém systému, vlhkých
žárovzdorninách a zvýšení obsahu hliníku.
7. Pro velké odlitky volit pokud možno nízké licí teploty aby byl čas ztuhnutí odlitku po
zaplnění formy co možno nejkratší.
Lupínkový grafit-přechodné typy grafitu /192, 651/
I pouze velmi malé množství lupínkového grafitu ve struktuře ovlivňuje významně
mechanické vlastnosti tvárné litiny. Výskyt lupínkového a přechodného typu, např.
kompaktního-vermikulárního (červíkového) grafitu je průvodním znakem nedostatečného
zbytkového množství hořčíku v litině( pod 0,03 % Mg). .
Přechodné typy grafitu ve struktuře tvárné litiny jsou uvedeny v kapitole 4 „metalurgie tvárné
litiny“ (obr.4.3 a 4.4) a v obr.13. 6 a 13.15a,b,c.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
61
Tvárná litina
Na snímcích jsou oblasti s vyšším obsahem SiO2 světlé až bílé, oblasti s vyšším obsahem
FeO jsou tmavé.
Složení oxidační strusky ukazuje, že se na jejím vzniku mohou podílet i prvky obsažené
v očkovadlech (v modifikátoru a sekundárním očkovadle).
Porovnáme-li obsahy jednotlivých oxidů odebraných v různých místech připečeniny ve vadě,
pak zjišťujeme především zásadní rozdíly v obsahu FeO a SiO2 a dále pak MgO a Al2O3.
Na obr.13.32. je pohled na struskoplynovou vadu, která je tvořena podpovrchovou dutinou
částečně vyplněnou struskou. V obr.13.33. je povrch této dutiny s povlakem strusky.
1.
2.
3.
Obr.13.32. Řez struskoplynovou dutinou,
vyplněnou struskou /675/.
Povrch dutiny s povlakem strusky obr.13.32
/675/.
Kvalitativní RTG analýza prvků na povrchu vady v místech 1, 2 a 3 je v diagramech
obr.13.34a,b,c.
Obr.13.34a. Spektrum prvků v místě ozn. 1. v obr.13.33.
/675/.
Obr.13.34b. Spektrum prvků v místě ozn .2. v obr.13.33.
/675/.
Obr.13.34c. Spektrum prvků v místě ozn .3. v
obr.13.33. /675/.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
62
Tvárná litina
rovnoměrnost je důležitá, aby byla expanze v důsledku grafitické precipitace usměrněna do
příslušných míst dutiny formy.
Izolované výčnělky a masivní průřezy vyžadují nálitkování a nebo chladítka. Jinak mohou
tato místa sloužit jako nálitky pro tenčí průřez, zvláště při odlévání na syrovo. Zvýšení
pevnosti formovacích směsí za tepla, zvýšení tvrdosti formy ve spojení s rychlejším
odléváním a vyšší licí teplotou nad 14300C často podstatně sníží problematiku staženin a
ředin /682- 688/.
Obr.13.39. ˇMezidendritické mikrořediny v odlitku z tvárné
litiny, způsobené nedostatečným napájením v údobí
grafitické expanze.
Vady způsobené nadměrným obsahem
hořčíku
Obsah zbytkového hořčíku nad 0,06% je v tvárné litině častým zdrojem vad. Jest též jedním
z obtížně pochopitelných a vadně řešených příčin jejich vzniku.
Optimální obsah zbytkového hořčíku se pohybuje v rozmezí 0,035 až 0,045%. Nad hodnotou
0,05% se tvoři v tvárné litině nadměrné množství křemičitanů hořčíku (obr.13.39a,b) a oxidů
hořčíku, oxidických strusek (dross).
Křemičitany hořčíku, jakož i MgS mohou vyplouvat na povrch odlitku a způsobit Zvrásnění
povrchu (obr.13.40).
Obr.13.39a. Křemičitany hořčíku ve
struktuře tvárné litiny /79
x 80
Obr.13.39b. Detailní pohled na křemičitany
hořčíku, kolem přechodových typů grafitu .
/79/.
x 450
Zjizvený povrch (obr.13.41) je poměrně řídce se vyskytující vada na odlitcích z tvárné litiny
odlévaných do syrových bentonitových směsí. Je provázena podpovrchovými přechodovými
formami grafitu a vyloučenými oxidy. Vada se vyskytuji za přítomnosti fluoridů, které se do
formovacích směsí dostanou většinou z exotermických obkladů, nebo zásypů.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
63
Tvárná litina
Obr.13.40. Zvrásněný povrch odlitku z tvárné
litiny vyloučenými křemičitany a sulfidy hořčíku,
/79/.
Obr.13.41. Zjizvený povrch odlitku z tvárné litiny
/690/.
>
Jako opatření se doporučuje snížení obsahu hořčíku v tavenině, snížení obsahu fluoridů ve
formovacích směsích, použitím většího procenta čerstvých směsí a snížení vlhkosti směsí.
Nadměrné množství Mg podporuje též flotaci grafitu. Množství nad 0,08% Mg způsobuje
deformaci grafitových zrn na krabovité a spiky- ostré typy grafitu. Růst Mg v tvárné litině vede
ke karbidickému tuhnutí /689/.
Břidličnatý lom
(plate fracture)
Jedná se o poměrně vzácnou vadu, která se objevuje ve spojovacím krčku mezi nálitkem a
vlastním odlitkem z tvárné litiny (obr.13.42a), nebo na lomové ploše zkušebního vzorku
odebraného přímo z odlitku. Vada však nebyla nikdy pozorována na zkušebním vzorku
odebraném z kýlového bloku.
Tmavé, ploché oblasti břidličnatého lomu jsou doprovázeny nahromaděnými a seřazenými
zrny grafitu v uskupení a vměstky, jak je zřejmé z obr.13.42b. Břidličnatý lom snižuje
mechanické vlastnosti tvárné litiny, zvláště její houževnatost. Tažnost se snižuje na polovinu
původní hodnoty. Břidličnatý lom ohrožuje integritu odlitku. Objevuje se v oblasti tepelných
uzlů, tedy pod nálitky a směrem od nich zaniká.
Příčinu vzniku břidličnatého lomu nejsou doposud zcela objasněny. K jeho omezení se
doporučuje vysoká tuhost forem, vyšší ekvivalent uhlíku, optimální licí teplota, modifikace
vtokového systému, minimální obsah hořčíku a síry. Všeobecná doporučení však nejsou
k dispozici /79, 651/.
Obr.13.42a. Břidličnatý lom (plate fracture) ve
vzorku z tvárné litiny, /651/.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
Obr.13.42b. Struktura břidličnatého lomu
/651/.
64
Tvárná litina
XIV.
Čistění a svařování
odlitků z tvárné litiny
Čistění odlitků
V principu se základní operace čistění odlitků z tvárné litiny, tj. od jejich uvolnění z forem až
po konečné operace apretace v podstatě neliší od čistění odlitků z ostatních litin. Podstatným
rozdílem, kterým se čistění odlitků z tvárné litiny liší, je odstraňování vtoků a zvláště pak
nálitků, neboť je nelze, v důsledku houževnatosti tvárné litiny, odstranit většinou pouhým
urážením ručně.
Použitá zařízení, tj. jak základní ruční pomůcky, tak různé typy tryskacích a brousících
zařízení, včetně různých typů manipulačních a přepravních zařízení jsou obdobná.
Podobně se využívá čistící zařízen i ve slévárnách vyrábějících ocel na odlitky pro čistění
odlitků z tvárné litiny a doplňky pak činí zařízení na odstraňování vtokových soustav a
nálitků.
Běžná technologie a zařízení v čistírnách odlitků tvárné litiny:
1. Tryskání odlitků
komorové tryskače
závěsné průběžné tryskače
bubnové pásové tryskače
speciální stolové tryskače
vodní tryskače
rotační průchozí tryskače
2. Odstraňování vtoků
a nálitků
pily
ruční rozbrušovačky
ruční upalování
ruční urážení kladivem
pneumatická kladiva
ulamovací klín
štípací kleště
strojní rozbrušování
ulamovací stroje
mechanické trkače
upalování ruční a strojní
3. Apretace, dokončovací
operace
ruční brusky
závěsné brusky
kyvadlové brusky
stolové brusky
pneumatická kladiva
manipulátory
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
65
Tvárná litina
Obr.14.5a. Ulamovací klín
v činnosti.
Obr.14.5b. Odlitek po ulomení
nálitku
Obr.14.6. Výměna čelistí v klínu.
>
Manipulátory a roboty
Další možností odstraňování nálitků a vtokových soustav jsou upravené speciální
manipulátory - roboty, které zajišťují více manipulací najednou. Uchopí odlitek, přemístí jej do
vyhrazeného prostoru, zde ulomí vtokové soustavy a nálitky, případně obrousí zalomené
plochy a odlitek umístí pro další apretační operace (obr.14.7a,b.).
Obr.14.7a.
Manipulátor
k víceúčelovému
použití při odstraňování nálitků a vtokových
soustav u odlitků z tvárné litiny /693/.
Obr.14.7b. Manipulátor-robot
k víceúčelovému odstraňování nálitků a
vtokových soustav u odlitků z tvárné litiny
/693/.
Mechanické ulamování nálitků nárazem
Nástrojem je mechanické beranidlo - „kanón“ a na nálitek působí nárazem pístu z tlakového
válce (obr.14.8a,b).
Obr.14.8a. Mechanické beranidlo (kanón)
při urážení nálitků u odlitku z tvárné litiny
/693/.
Obr.14.8b. Víceúčelový manipulátor
s mechanickým beranidlem na urážení
nálitků /693/.
Odstraňování nálitků plamenem
Jedná se o běžnou technologii používanou k odstraňování nálitků u odlitků z oceli. Je to
proto též poměrně běžný způsob u odstraňování nálitků u tvárné litiny vyráběné ve
slévárnách odlitků z ocelí na odlitky. Běžné je použití kyslíko-acetylenových hořáků,
výjimečně na zemní plyn.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
66
Tvárná litina
XV.
Kontrola jakosti výroby
odlitků z tvárné litiny
Odlitky z tvárné litiny tak, jako všechny jakostní výrobky, vyžadují komplexní přístup při
kontrole výroby v celém výrobním procesu.
V zásadě se dělí na přejímku, tj. inspekci hotového odlitku a na průběžnou provozní kontrolu
jednotlivých výrobních operací, jak je shrnuto v Tab.15.I.
Tab.15.I. Kontrola kvality tvárné litiny
Inspekce
Provozní kontrola
Běžná
Suroviny
vizuální
certifikace
mikrostruktury
vizuální kontrola (hmotnost)
mechanické zkoušky, tvrdost
chemické analýzy
chemické složení
form. hmoty, přísady, žárovzdorniny
Speciální
vsázkové materiály (hmotnost)
rozměrový atest
teplota taveniny
RTG a UZ -zkoušky
doba tavby
magnetické zkoušky
základní složení taveniny
ostatní dle specifikace
jiné
Formování
tvrdost forem
odvzdušnění
Modifikace
množství a druh modifikátoru
množství a druh očkovadla
teplota taveniny
struktura
metalografické zkoušky
houževnatost
Interval modifikace
Odlévání
čistota taveniny
teplota taveniny
rychlost odlévání
Uvolňování odlitků
teplota
čas
Tepelné zpracování
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
67
Tvárná litina
XVI.
Obrábění odlitků
z tvárné litiny
Z hlediska obrábění je tvárná litina, právě tak jako jakostní šedá litina, výrazně lépe
obrobitelná jako ocel na odlitky, kterou ve většině případů nahrazuje. To má za následek
výrazné úspory v mechanických obrobnách v položkách energií, mzdových nákladech,
nářadí, strojů i nových investic. Při náhradě jak odlitků z ocelí na odlitky, tak i ocelových
výkovků, případně výlisků, jsou prvním zdrojem úspor menší přídavky na opracování. Dalším
zdrojem úspor je lepší obrobitelnost. Podle různých pramenů může činit spotřeba nástrojů –
vrtáků, výstružníků, fréz, nožů - jen třetinu oproti původní spotřebě při obrábění ocelí. Na
druhé straně možno velmi významně zvýšit produktivitu obrábění.
Vliv mikrostruktury
Obrobitelnost materiálu je závislá na jeho mikrostruktuře a tvrdosti. Lepší obrobitelnost šedé,
temperované a tvárné litiny ve srovnání s obrobitelností ocelí se přičítá grafitu. Jeho objem
činí cca 8% z objemu základní litiny. Při tom hraje roli i jeho morfologie. Zatím co grafit
ovlivňuje řezné podmínky a povrchovou jakost po opracování, pak mikrostruktura ovlivňuje
primárně životnost nástroje.
Perlitické jakosti tvárné litiny mají lámavou třísku (obr.16.1a), která je předpokladem pro
práci na obráběcích linkách a automatech. U feritických jakostí mohou vznikat jak dlouhé
(obr.16.1b), tak krátké třísky. Vzniku dlouhých třísek můžeme částečně předcházet
zvětšením posunu a zmenšením čela nože.
Obr.16.1a. Lámavé třísky při frézování nebo
hoblování perlitické tvárné litiny /675/.
Obr.16.1b. Plastické, dlouhé třísky při
soustružení feritické tvárné litiny /675/.
Přisuzování lepší obrobitelnosti jen grafitu při bližším pohledu neobstojí a je přeneseno ze
zkušeností se šedou litinou..U té je skutečně lámavá tříska způsobena lupínkovým grafitem,
který rozrušuje kovovou hmotu v rozměrných plochách. Navíc tu k lámavosti třísky přispívá i
prostorové síťoví fosforového eutektika, které je tvrdé a křehké. V tvárné litině je grafit
rozptýlen v drobných zrnech – kuličkách- řádově setin a u těžkých odlitků i desetin mm.
Jejich vrubový účinek a schopnost vyvolávat lomy je přinejmenším diskutabilní /2/.
V důsledku těsné spojitosti tvrdosti s mikrostrukturou je obrobitelnost často vztahována k
tvrdostí materiálu. Tento vztah ovšem platí pouze pro podobné mikrostruktury. Na příklad
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
68
Tvárná litina
matrice popuštěného martenzitu (zušlechtěná struktura) má lepší obrobitelnost, jako
perlitická struktura stejné tvrdosti.
Obr.16.2. ukazuje relativní obrobitelnost tvárné litiny s feritickou a perlitickou strukturou.
V tvárné litině je feritická složka struktury nejměkčí a proto vykazuje feritická tvárná litina
nejlepší obrobitelnost. Přestože je zde tvrdost feritu vyšší, nežli tvrdost feritu ve struktuře
ocele, vykazuje lepší obrobitelnost v důsledku účinku křemíku, který snižuje houževnatost
feritu a v důsledku účinku grafitu jako maziva. Obrobitelnost litiny roste do obsahu křemíku
3%, nad touto hodnotou opět klesá
Obr.16.2. Životností nástroje při obrábění tvárné
litiny s feritickou a perlitickou strukturou /740/.
Obr.16.3. Životností nástroje při obrábění tvárné
litiny s perlitickou strukturou a karbidy /740/.
Většina tvárných litin střední kvality má ve struktuře perlit, což je směs měkkých částic feritu
a tvrdých lamel cementitu. Množství a jemnost perlitu rozhodují o tvrdosti tvárné litiny a její
obrobitelnosti. Vzrůstající obsah perlitu a jeho jemnost zhoršuje obrobitelnost litiny (obr.16.2).
Nejtvrdší součástí struktury tvárné litiny jsou karbidy, které jsou nejhůře obrobitelné. Pokud
jsou přítomny jako masivní volné karbidy a to jak karbidy železa, tak jako slitinové karbidy,
snižují drasticky obrobitelnost tvárné litiny (obr.16.3.).
Obr.16.4. Vlastnosti používaných materiálů
řezných nástrojů na obrábění litin /743/.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
Obr.16.5. Tvrdost za tepla různých druhů
materiálů řezných nástrojů /744/.
69
Tvárná litina
Literatura
prameny
Plachý, J., Otáhal, V. : Jakostní litiny, SNTL, Praha 1956.
Tvárná litina a její použití, Jiří Klaban, Slévárenství, příloha srpen 1993.
Gorshkov, A.A.,Litejnoje Proizvodstvo (1955), č. 3, str. 17.
Ivanov, D.P.: Litejnoje Proizvodstvo (1954), č. 3, str. 18.
Britský patent č. 4173.
Piwowarsky, E.,: Hochwertiges Gusseisen (Grauguss) Springer-Verlag. (1951).
Frey, H.: Giesserei (1923), č. 28, str. 287 – 289.
Nipper, H.: Giesserei (1935), č.32, str.387 – 388.
Adey, C.: DRP 766542 z 26. 9. 1938
Adey, C.: Die neue Giesserei (1948), č. 1. str. 23 – 25.
Krinitski, Saeger :Journal of Research of the national Bureauof Standards (1942), str. 93 – 94.
Smalley, O.: Britský patent 553,753 (27.5.1943).
Morrough, J., Williams, W.: Iron and Steel Institute (1947), str. 324-334.
Morrough, J., Williams, W.: Iron and Steel Institute (1948), str. 306-322.
Modern Casting., October (1998), str. 39 - 44.
Iron Age, Decembre 15, (1949)
De Sy, A.:American Foundryman 16 (1948), č.1 str. 50 – 62.
Collete, R., De Sy, A.: F.T. Journal (1950), December 14, str. 495 – 498.
De Sy, A.: La Fonderie Belge (1952), č. 3, str. 145 – 170.
De Sy, A.:Congrés International de Fonderie, Bruxelles (1953), str. 127 – 130.
Itaka, L.: F.T.Journal 91 (1951), str. 498
Lewensky, J. A.:Modern Casting., October (1998), str.48 - 51
Píšek ,F.: Nauka o materiálu, ČSAV, Praha 1957
Pluhař,J. a kol.: Nauka o materiálech, SNTL/ALFA , Praha 1989.
Pluhař, J. a kol.: Fyzikální metalurgie a mezní stavy materiálu, SNTL/ALFA , Praha 1987
P.Jonas,Gy.Nandori,J.Sohajda,K.Peukert, :Zum Einfluß der Einsatzstoffe und des Impfmittels auf die
Eigenschaften von Gußeisen mit Lamellengraphit. Teil 1. Giesserei, Vol.82 (1995), pp. 906-909.
F, Roll.: Das Primärgefüge des grauen Gusseisen., Archiv für das Eisenhüttenwesen, Vol 8 (1934),
pp. 129-130.
Wlodawer, R.: Gelenkte Erstarrung von Gußeisen., Giesserei-Verlag G.m.b.h., Düsseldorf.1977.Page
334.
W.Patterson, S.Engler Über den Erstarrungsablauf und die Größe und Aufteilung des Volumendefizits
bei Gußlegierungen., Giesserei technisch-wissenschaftliche Beihefte, Vol.13 (1961), pp. 123-56.
Engler, S.: Zur Morphologie erstarrender Eisen-Kohlenstoff-Legierungen.
Giesserei technisch-wissenschaftliche Beihefte, Vol.17 (1965), pp.169-202.
Einfluß der Einsatzstoffe, der Schmelzführung im Induktionsofen und der Impfbehandlung auf das
Gefüge und die mechanische Eigenschaften von Gußeisen mit Lamellengraphit.
Giesserei Tech.-wissensch. Beihefte, Vol. 15 (1963), pp. 1/24.
Patterson, Siepmann, Hauptvogel .: Änderungen des Gefüges und der mechanischen Eigenschaften
von Gußeisen mit Lamellengraphit infolge Abstehens der Schmelze bei sinkender Temperatur.
GTWBH 1965, pp. 141-49.
D.Glover, C.E. Bates, R.Monroe, :The relationships among carbon equivalent, microstructure and
solidification characteristics and their effects on strength and chill in gray cast iron.
AFS Transactions 1982, pp. 745/57.
G.F.Ruff, J.F.Wallace . :Control of Graphite Structure and its Effect on Mechanical Properties of Gray
Iron., AFS Transactions, Vol. (1976), pp. 705-26.
atd.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
70
Download

Tvárná litina® - OtahalConsult