KONSTRUKCE I TECHNOLOGICNOST. Ing. Bohumír Bednár, Doc. Ing. Jan Cermak, CSc. Ing. Ladislav Michálek. CVUT v Praze Fakulta strojní

Transkript

1 TECHNOLOGICNOST KONSTRUKCE I Ing. Bohumír Bednár, v CSc. Doc. Ing. Jan Sanovec, CSc. v, Doc. Ing. Jan Cermak, CSc. Ing. Ladislav Michálek CVUT v Praze Fakulta strojní

2 Obsah 1 Úvod (Ing. B. Bednár,CSc.) 5 2 Technologicnost konstrukce odlitku (Ing. B. Bednár,CSc.) Technologie výroby odlitku Zásady volby materiálu odlitku Zásady konstrukce odlitku s ohledem na namáhání Zásady konstrukce odlitku litých do pískových forem Zásady konstrukce odlitku s ohledem na jakost Zásady konstrukce odlitku litých do kovových forem 78 3 Technologicnost konstrukce výlisku (Doc. Ing. Jan Šanovec, CSc.) Volba materiálu výlisku Presnost výlisku Technologicnost výstrižku Technologicnost výtažku Technologicnost ohýbaných soucástí Technologicnost výkovku (Doc. Ing. Jan Cermák, CSc.) Zásady volby technologie kování Technologicnost a zásady konstrukce zápustkových výkovku Zásady konstrukce volných výkovku Technologicnost konstrukce svarencu (Ing. Ladislav Michálek) Proces svarování Proces návrhu konstrukce svarovaných výrobku Proces technologické prípravy, svarování a kontroly 137 Literatura 145

3 Úvodem Technologicnost konstrukce se zameruje na sladení požadavku uživatele výrobku a možností výrobce s cílem dosažení vytycených parametru pri co možná nejnižších výrobních nákladech. Naplnení tohoto cíle ovšem nezbytne vyžaduje osvojení rady disciplín a prístup k velkému množství, casto obtížne vyhledatelných, informací. Proto je predmet zarazován až do ucebních plánu vyšších rocníku strojní fakulty. První díl ucebního textu zamerený na konstrukci odlitku, výkovku, výlisku a svarencu predpokládá predevším jako nezbytné zvládnutí látky z predmetu Nauka o materiálu, Technologie I a Cásti a mechanismy stroju, na které tesne navazuje. Užitecné však jsou poznatky získané i v dalších predmetech, nebot predem nelze vyloucit z rozhodování o konstrukci urcitého dílu žádný aspekt ani žádný prístup... Je jiste pochopitelné, že vzhledem k omezenému rozsahu ucebního textu zde nemuže být uveden vycerpávající návod k tomu, z jakého materiálu jednotlivé strojní soucásti navrhovat, a pro který díl je ta která technologie optimální, což bývají dve z nejvýznamnejších východisek ovlivnujících konstrukci dílu. Proto je treba uživatele v tomto smeru odkázat na obsáhlejší zdroje informací, zejména normy, databáze, lexikony, odborné casopisy apod. Navíc nelze opomíjet ani casový faktor, nebot v oblasti materiálu i v technologiích se mnoho vecí vyvíjí, takže kopírování starých výkresu osvedcených sestava dílu nebo užívání tradicních materiálu nemusí být zárukou úspechu v budoucnosti, kdy se muže prosadit jakostnejší nebo levnejší konkurencní výrobek zhotovený pokrocilejší technologií. V poslední dobe konstruktérum stále více usnadnuje práci nasazení výpocetní techniky, která umožnuje dokonalejší propracování konstrukce z hlediska pevnosti a tuhosti, zkracuje provádení prípadných úprava nabízí možnost rycwé výroby modelu, nástroje nebo prototypu. Tato pomoc však sama o sobe ješte není zárukou úspechu, nebot muže být i cestou k rychlejšímu hromadení chyb a sériové výrobe zmetku, pokud není brán ohled také na technologická a ekonomická hlediska. Technický vývoj také zvýšil nároky na sledování vývoje materiálunabízejících vlastnosti, které se pred nekolika desítkami let zdály nedosažitelné, i zavádení nových technologií, které vedou ke zmenám vžitých omezujících faktoru (napr. potrebných tlouštek sten~ dosažitelné složitosti tvarových prvku, úkosu, tolerancí, typu spoju apod.). Navíc by konstruktéri meli reagovat i na menící se ceny investic a surovin, skladbu nákladu a situaci na trhu. Rust ceny lidské práce vyvolává stále vyšší tlak na omezování potreby rucních operací a zavádení automatizace. Moderní technika je však drahá a lze ji hospodárne využívat predevším v hromadné výrobe. V ní se pak mnohonásobne zúrocí veškerá úsporná opatrení, která promyšlená konstrukce dílu prinese. Do budoucna je treba pocítat i s možným nárustem ceny energií a nekterých surovin, sílícím tlakem zahranicní konkurence a zduraznením ekologických aspektu konstrukce. I když jsme si vedomi, že složitost problematiky presahuje možnosti strucného ucebního textu, bylo našim cílem predložit posluchacum nejenom soubor základních informací, které budou potrebovat pro práci na cviceních a pro úspešné složení zkoušky, ale predevším podnet k usmernení jejich myšlení pri samostatné tvurcí práci v jejich budoucím studiu i praxi. Autori 4

4 1. ÚVOD Konstrukce strojírenských výrobku není urcována pouze jejich funkcí, ale i zpusobem a ekonomikou výroby, pri respektování hledisek estetických, ergonomických a ekologických. Cílem každého konstruktéra má být dosažení pritažlivosti výrobku zajištením požadované úrovne užitných hodnot s co nejnižšími materiálovými a výrobními náklady. Optimální konstrukce proto bývá kompromisem mezi technickými požadavky, vyjadrovanými funkcí, tvarem, pevností, jakostí, životností, spolehlivostí, požadovaným výkonem apod., na strane jedné a technologickými možnostmi spolecne s ekonomicností výroby na strane druhé. Technologicnost konstrukce je široký pojem postihující komplexní souhrn požadavku, které má splnit konstrukce dílu nebo celku pro zajištení funkcní zpusobilosti, požadované životnosti a spolehlivosti pri maximální hospodárnosti výroby. Obecne je možno shrnout hlavní požadavky na konstrukci z hlediska technologicnosti do následujících zásad: jednoduché kinematické schéma, jednoduchý tvar a nízký pocet dílu, vyhovující mechanické, fyzikální a fyzikálne-chemické vlastnosti materiálu, vysoké využití materiálu (malý odpad, vhodné profily, odlehcení nezatežovaných cástí), vyhovující technologické vlastnosti materiálu (slévatelnost, tvaritelnost, svaritelnost, obrobitelnost atd.), prizpusobení konstrukce technologii výroby, která musí být volena s ohledem na predpokládaný objem výroby a požadovanou jakost, prihlédnutí k vlivu technologie na vlastnosti materiálu (zpevnení plastickou deformací, vliv tlouštek, prubeh vláken, anizotropie a nehomogenity, drsnost a stav povrchu, velikost a rozložení vnitrních pnutí, vmestky, poruchy souvislosti atd.), nízká cena a spotreba materiálu, nízký pocet druhu materiálu, využití hromadne vyrábených polotovaru a dílu, volba tvaru a rozmeru s ohledem na technologii výroby (tlouštky sten, otvory, dutiny, drážky, úkosy, výstupky, žebra, delící plochy, zaoblení atd.), primerené nároky na drsnost, presnost, výskyt vad, rozptyl hodnot mechanických vlastností, kombinace vlastností apod. a prihlédnutí k vlivu možných vad a odchylek, využití tepelného a chemicko-tepelnéhozpracování, resp. povrchových úprav, jednoduchá, krátká a nenákladná príprava výroby, co nejmenší potreba speciálních nástroju, prípravku, stroju a zarízení, co nejmenší pocet a co nejnižší složitost operací, co nejkratší doba a prubežný cas výroby a montáže, co nejjednodušší manipulace a doprava, co nejmenší potreba výrobních a skladovacích ploch, využívání typizace (omezování poctu druhu soucástí a celku), využívání unifikace (sjednocování rozmeru, tvaru, materiálu, soucástí a skupin), využívání dedicnosti (prebírání osvedcených dílu a konstrukcních prvku - tím i výrobních postupu, nástroju, náradí a pomucek), využívání možností mechanizace a automatizace výroby, nízká spotreba surovin, energie, maziv, vody atd., dobrá úroven bezpecnosti a hygieny práce; minimální a nezávadný odpad a emise, možnost výmeny a renovace poškozených a opotrebených dílu, možnost nenárocné recyklace výrobku, resp. materiálu, po vyrazení výrobku z provozu. 5

5 TRH --r NÁMET,J, PODNIKATEL,J, funkce provozní podmínky životnost a spolehlivost vlastnosti materiálu normy, zkušenosti požadované množství techno logické vlastnosti materiálu vliv technologie na vlastnosti materiálu možnosti technologií nárocnost operací požadované množství ožadovaná iakost výrobní kapacity výrobní stroje a zrízení plochy a doprava zkušenosti, personál náklady a financování (ceny, odpisy, mzdy, dane,... ) dodavatelé hygiena a bezoecnost oráce I ZADÁNÍ PROJEKTU,J, KONSTRUKTÉR,J,t NÁVRH VÝROBKU výkresy, specifikace,j,t TECHNOLOG,J,t VÝROBNÍ POSTUP,J,t VÝROBCE I schéma, tvar, kinematika, siiové toky pevnostní výpocty, volba materiálu, dimenzování, tolerance, drsnosti, povrchové úorav volba technologie zpresnení vplby materiálu úpravy tvaru a tlouštek polotovary, prídavky, úkosy sled operací stanovení technologických parametru výroby návrh onoravku a nástroiu organizace výroby výroba prípravku objednávky polotovaru zajištení kooperace kalkulace nákladu a ceny výrobku zajištení likvidace odpadu rooafzace,j, VÝROBEK,J, PRODEJCE,J, užitné vlastnosti výrobku (funkcní, ekonomické, estetické a ekologické) I ~ poptávka obdobné výrobk TRH zisk Obr. 1.1 Schéma vztahu ovlivnujících konstrukci výrobku 6

6 Protože je treba zvažovat celé spektrum casto zcela protichudných požadavku, bývá cesta k optimální konstrukci zpravidla velmi složitá a nárocná. Napr. požadavek nízké spotreby materiálu vede ke snaze používat pevnejší oceli, které jsou ale nevhodné pro svarování a obrábení; snaha o využívání hromadne vyrábených polotovaru vede k horšímu využití materiálu a zvyšování pracnosti; nároky na jakost zvyšují náklady apod. Protože konstruktéri nemohou znát do podrobností všechny strojírenské technologické procesy a z nich vyplývající omezení ci naopak možnosti, je zejména u nárocnejších výrobku nebo vetších sérií nezbytná spolupráce celé rady odborníku z oblastí konstrukce, materiálu, technologie, rízení jakosti i ekonomiky. Podle schématu na obr.1.l je výrobek navrhován na základe požadavku trhu. Aby se na nem úspešne uplatnil, je treba respektovat veškerá hlediska ovlivnující jeho užitné vlastnosti, vcetne vlastností ekonomických. Pri vytvárení konstrukcí odpovídajících všem zásadám technologicnosti je vzhledem k složitosti úkolu treba postupne sladovat požadavky zákazníka s možnostmi hospodárné výroby co nejtesnejší spoluprácí mezi konstruktérem a výrobcem. Pro zkrácení doby potrebné k uspokojení poptávky je žádoucí prubežná kooperace ve všech etapách od prípravných fází rešení úkolu, pres prípravu technologických postupu a zavádení výroby, až po vstup výrobku na trh. Jedine tím lze predejít uvedení výrobku dražších nebo méne jakostních než muže zákazník snadneji a dríve získat od konkurence. Proto je doporucován následující postup: 1. Formulovat jednoznacne a pokud možno jednoduše základní požadavky, které musí výrobek splnovat, a to vcetne omezujících požadavku na prípustné odchylky, jakost, cenu, termíny a množství. 2. Zacít rešením hlavního úkolu, napr. kinematikou mechanismu, prenosem sil, potrebou uzavrít urcitý prostor apod. 3. Navrhnout soucasne nekolik variant, ve spolupráci s technology je zhodnotit a vybrat nejvýhodnejší rešení. 4. Upravit a propracovat zvolenou variantu ("pri tom užívat víc gumu než tužku") a konzultovatji s odborníky z oblasti materiálu, technologie výroby a ekonomiky. 5. Konzultovat navrženou variantu s konkrétním výrobcem stran zkušeností, technických možností, vybavenosti a kapacity pracovišt, prípravy výroby, organizace práce, dodavatelských vztahu apod. 6. Prizpusobit konstrukci zvolenému materiálu a zpusobu výroby. 7. Reagovat vcas zmenami konstrukce na problémy s jakostí, vývoj materiálu a technologií, pohyby cen, situaci na trhu apod. Následující kapitoly jsou venovány technologicnosti konstrukce z hlediska výberu a návrhu "polotovaru", cástecne tedy i volby materiálu, kdy východiskem volby bývají predevším tato kriteria: požadavky na materiál - druh, vlastnosti (vcetne technologických), množství, cena, velikost, tvar a složitost dílu (rozmery, tlouštky sten, dutiny,... ), požadavky na presnost, drsnost a jakost, #o specifické vlastnosti výrobku (houževnatost, obrobitelnost, svaritelnost,... ), množství výrobku (celkové i za casovou jednotku), náklady na polotovar a jeho další zpracování (výrobní postup, pracnost, energie,... ), potrebné výrobní zarízení (stroje, prípravky, nástroje), potrebná doba prípravy výroby a termíny dodávek, množství, škodlivost, použitelnost a likvidace odpadu. 7

7 2. TECHNOLOGICNOST KONSTRUKCE ODLITKU Bez odlévaných dílu se v soucasnosti neobejde žádný složitejší strojírenský výrobek. V prumeru se na jejich hmotnosti podílejí zhruba 30 % a pracnosti približne 5 %. Napr. v konstrukci osobního automobilu bývá použito více než sta odlitku. Pri tom se jedná o díly tvarove nejsložitejší a nekdy i znacne namáhané. Odlitky prevládají v konstrukci cerpadel, armatur, spalovacích motoru, kompresoru, obrábecích i tvárecích stroju. Užívají se i ve výrobcích elektrotechnického a optického prumyslu, kancelárských a domácích strojcích a zarízeních. letadlech, lodích, kosmických a jaderných zarízeních. Odlitky najdeme dnes dokonce i v lidských telech jako implantáty nebo zubní protézy. Presto nekterí konstruktéri ješte stále pohlížejí na odlitky s neduverou. Zdají se jim príliš težkopádné ci robustní, a tím i nevhodné pro moderní výrobky. Neverí príliš ani v jejich spolehlivost a jakost pro nebezpecí vnitrních vad, kolísavou kvalitu povrchu a omezenou presnost. Pri návrhu více namáhaných dílu proto dávají prednost polotovarum tváreným. Soucasné možnosti slévárenské technologie však mohou tyto obavy vyvrátit díky pokroku v oblasti metalurgie i výroby forem, systémum rízení jakosti a možnosti využití pocítacové simulace, která napomáhá optimalizovat konstrukci odlitku s ohledem na zatížení, nebezpecí výskytu vad, pnutí i deformací. Navíc je treba si uvedomit, že za radu uvádených nedostatku odlitku nesou spoluzodpovednost sami konstruktéri tím, že nedokáží plne využít širokou škálu nabízených slitin a slévárenských technologií, že se obávají zodpovedne navrhovat tvarove složité tenkostenné odlitky, a že opomíjejí nekteré zásady technologicnosti konstrukce. Místo hledání nových vhodnejších radeji konzervativne užívají tradicní materiály, místo požadavku na zvýšenou presnost odlitku radeji na výkresech predepisují obrábený povrch, místo pracných výpoctu, simulací a zkoušek radeji zvyšují soucinitel bezpecnosti a tlouštky sten, a tím i hmotnost atd. Pri tom práve vetší prídavky na obrábení a vetší tlouštky sten odlitku vedou casto k zhoršení mechanických vlastností, vyššímu riziku vzniku vad a zvýšení celkových nákladu na výrobek. Výhody odlitku K hlavním výhodám odlévání patrí predevším: III Prímá cesta od surovin k výrobku s nízkým poctem operací a meziproduktu. III Možnost zhotovovat díly v široké škále hmotností od nekolika gramu do desítek tun. Možnost dosažení i pomerne jednoduchými postupy znacne složitých prostorových tvaru. Ve srovnání s jinými polotovary jsou odlitky výhodné zejména pro soucásti se složitou trojrozmernou geometrií a vnitrními dutinami. Možnost tvarování odlitku dle zatížení nebo potreby ohranicit prostor. Odlitky je možno prakticky neomezene dimenzovat (napr. dle prubehu silových toku) tak, aby byl jejich materiál plne využit a zároven se nikde nevytvárely nebezpecné "špicky" napetí. Tzn., že odlitek muže být zesílen v místech nejvetšího zatížení, napr. v okolí spojovacích šroubu, prírub, ložisek,styku sten apod. a na druhé strane odlehcen v nezatížených oblastech. Možnost dosažení vysoké tuhosti vhodným prostorovým rozložením materiálu. III Možnost odlévání vetšiny kovu a slitin. Pri tom není nutné se omezovat pouze na slitiny uvádené v normách. Znacný podíl tvorí odlitky zhotovené ze slitin "ušitých na míru" funkci soucásti dle požadavku konstruktéra. Volbou složení lze ovládat radu fyzikálních a mechanických vlastností, odolnost proti korozi apod. a dosáhnout jejich optimální kombinace. - ~

8 Možnost ovládání struktury a vlastností odlitku volbou složení, modifikací a ockováním taveniny, rízeným tuhnutím a tepelným zpracováním. Napr. u litin je možno ovládáním rychlosti tuhnutí dosáhnout zjemnení struktury, zmen podílu grafitjcementit i podílu jednotlivých strukturních složek. Rozpouštením grafitu pri tepelném zpracování je možno základní hmotu "zevnitr" nauhlicit a tak zvýšit podíl perlitu na úkor feritu nebo umožnit zakalení. Pri vhodném chemickém složení lze takto dosáhnout široké škály struktur a vlastností, a to dokonce i na jediném odlitku. Rízením postupu tuhnutí je možno ovládat i orientaci vznikajících krystalu, a tím získat odlitky se zvýšenými pevnostními charakteristikami v urcitém smeru (užíváno napr. u lopatek turbín). Nezávislost vlastností materiálu na smeru namáhání (s výjimkou výše zmínených speciálních postupu). Vysoké využití materiálu a vysoká míra recyklovatelnosti. Ztráty kovu rozstrikem a propalem ve slévárnách ciní pouze nekolik procent (vtoky, nálitky a zmetky se pridávají do vsázky následujících taveb) a prakticky všechny odlitky je možno po uplynutí jejich životnosti použít jako soucást vsázky. Relativne nízká spotreba energie ve srovnání s tvárením i obrábením z vá1covaných polotovaru (viz tab. 2.1). Hospodárnost v kusové i hromadné výrobe. Díky široké škále technologií je možno volit provedení modelu, postup výroby forem a jader i zpusob lití nejen dle technických specifikací, ale i s ohledem na požadované množství odlitku tak, aby náklady na jeden odlitek nebo požadovanou sérii nebyly príliš vysoké. Napr. pro výrobu jednoho odlitku, i pomerne znacne složitého tvaru, je možno použít metodu spalitelného modelu, pro strede velkou sérii lití do pískových forem a pro hromadnou výrobu lití do forem trvalých. Ve srovnání se svarováním vyžaduje sice výroba odlitku model, ale je pak méne pracná a nákladná. Ve srovnání s tvárením odpadá výroba nákladných nástroju z obtížne obrobitelných materiálu. Možnost dosažení speciálními postupy pomerne vysokých presností (u meších rozmeru až!t8, tj. zhruba 0,2 %) a nízkých drsností. (Ra až 1,6-3,2 /.lm). Uvedené parametry však rozhodne není hospodárné vyžadovat u bežných odlitku, kde je lze snadneji dosahovat kombinací obvyklých technologií lití (obvyklé tolerancní stupne IT 12 až 15 a drsnosti Ra 12,5 až 100 f-lm) a dodatecného obrábení ploch, na které jsou kladeny vyšší nároky. Nejpresnejší technologie - metoda vytavitelného modelu je hospodárná zejména pri odlévání tvarove znacne složitých dílu z težko obrobitelných materiálu, na druhé strane tlakové lití pro velkosériovou výrobu odlitku ze slitin s nižšími teplotami tavení. Možnost zalévání dílu z jiných kovu (napr. ložiska, pouzdra, cepy, matice apod.) tam, kde je potreba získat jinak nedosažitelnou kombinaci vlastností). Tab.2.1 Porovnání materiálové a energetické nárocnosti odlitku s jinými výrobky Využití materiálu energie Spotreba v -32 MJ/kg primární Typ výrobku 9

9 Príciny problému s odlitky Na rozdíl od jiných technologií zpracování kovu, které pracují s polotovary známých vlastností, je jedinecností slévárenské technologie skutecnost, že struktura materiálu a tvar produktu vznikají spolecne v relativne velmi krátkém casovém intervalu bez možnosti prubežných korekcí. Jakost odlitku tím ovlivnuje velmi široká škála faktoru postihujících konstrukci a stav modelového zarízení, vlastnosti formovací smesi a odlévané slitiny, technologii a podmínky výroby forem a lití, chladnutí a následující zpracování odlitku. Nepromyšlená konstrukce, volba nevhodné technologie nebo nedodržování technologických podmínek zpusobují kolísání kvality a vznik více ci méne závažných vad. Jejich výskytu musejí výrobci predcházet peclivou prípravou výroby a kontrolou všech rozhodujících fází technologického procesu. K tomu získávají slévárny v poslední dobe stále dokonalejší prostredky. Tím se ve stále vetší míre presouvá zodpovednost za nedostatky a selhání litých dílu na konstruktéry, kterí neodhadli správne provozní zatížení odlitku, zvolili nevhodný materiál, ocekávali od odlitku dosažení nereálných vlastností nebo jejich kombinací, nerespektovali zásady konstrukce beroucí ohled na slévárenskou technologii nebo nespecifikovali dostatecne svoje požadavky. Vhodnou volbou materiálu, konstrukce a konzultacemi s výrobci odlitku je možno rade obtíží a nedostatku predcházet. Pri tom je treba mít na pameti predevším následující: Rozdíly v tlouštce sten odlitku vedou k nerovnomernému tuhnutí a chladnutí, které zpusobuje rozdíly ve strukture a vlastnostech jednotlivých cástí odlitku, vznik pnutí, deformací, prípadne až poruch souvislosti (trhlin, prasklin). Pomalé chladnutí silnostenných odlitku vede ke vzniku hrubozrnné struktury, odmíšenin, zhoršení mechanických vlastností a rozdílum vlastností na povrchu a uvnitr odlitku. Vlastnosti uvádené v normách a materiálových listech slévárenských slitin jsou vztahovány na vzorky standardních rozmeru lité urcitou technologií. U masivních odlitku je obvykle nereálné vyžadovat jejich dosažení v plném rozsahu. U obdobných odlitku litých z urcité slitiny odlišnými technologiemi nelze ocekávat shodné vlastnosti. Pro odstranení nedostatku licí struktury a dosažení v normách uvádených hodnot mechanických vlastností vyžaduje rada odlitku tepelné zpracování. To platí predevším pro ocelové odlitky. U vetšiny odlitku z litiny s kulickovým grafitem jsou normami stanovené vlastnosti dosažitelné i bez tepelného zpracování. Odlitky z litiny s lupínkovým grafitem se tepelne zpracovávají jen výjimecne, nebot požadované vlastnosti tu bývají dosahovány prevážne vhodnou volbou složení. Urcité skupiny slitin hliníku jsou urceny k vytvrzování. Nebezpecí výskytu vnitrních vad (staženin, porezity, bublin apod.) muže být výrazne eliminováno promyšlenou konstrukcí, která zajištuje vhodný postup tuhnutí, pamatuje na prístupnost pro umístení nálitku (prípadne chladítek) i možnost odvodu plynu z formy a jader. Velké smrštování nekterých slitin pri tuhnutí vyžaduje používání mohutných nálitku, které snižují využití tekutého kovu a zvyšují pracnost pri úprave odlitku. Prednost by proto mela by'rt dávána takovým slitinám, které stahují méne (napr. litiny než oceli) a takovým konstrukcím, které jsou co nejlehcí (potrebný objem nálitku je úmerný objemu odlitku). Pro tenkostenné odlitky je treba volit slitiny s dobrou zabíhavostí, kterou mívají zpravidla eutektické slitiny,. tedy napr. ze slitin železa litiny s vyšším obsahem uhlíku. Pri gravitacním lití do pískový~h forem jsou u eutektických slitin železa i hliníku dosažitelné nejmenší tlouštky sten zhruba 3 mm, výjimecne 2,5 mm. Nedoporucuje se však navrhovat takto tenké rozsáhlé souvislé plochy a je treba zvážit i prípustné tolerance. Speciální technologie umožnující dosahování tlouštek kolem 1 mm (tlakové lití, lití metodou vytavitelného modelu) jsou menší série, resp. bežné odlitky príliš nákladné. 10

10 S ohledem na omezenou možnost dosažení vysoké presnosti a jakosti povrchu je treba usilovat o taková konstrukcní rešení, která kladou nejmenší nároky na potrebu obrábení, a to tím více, cím pevnejší a tvrdší je zvolený materiál. Porovnání výhod odlitku s dalšími polotovary Tab. 2.2 Pomerné náklady na vybrané typy polotovaru ve srovnání s litinovými odlitky cm v tahu silou 105 N tyc namáhanou Pomerné náklady na Tab. 2.3 Príklad materiálové a energetické bilance výroby príruby Polotovar válcovaná tyc Polotovar odlitek ( ((O([@ Tavenina Ztráty pri lití a válcování Trísky pri obrábení Hotová soucást Využití materiálu Polotovar Obrábení 6,84 kg 0,41 kg 5,43 kg 1,00 kg 16 % 141 MJ 125 MJ Tavenina Propal, nálitky, vtoky Trísky pri obrábení Hotová soucást Využití materiálu Surový odlitek Obrábení 2,85 kg 1,71 kg 0,14 kg 1,00 kg 40% 59,6 MJ 3,2 MJ Hotová soucást celkem 266 MJ/kg Hotová soucást celkem 62,8 MJ/kg 11

11 Válcované polotovary jsou podle údaju v tab. 2.2 levnejší nežli odlitky, ale tato jejich výhoda je tím menší, cím více se tvar vá1covaného polotovaru odlišuje od požadovaného tvaru soucásti. Tak napr. pro výrobu hrídele prevodovky je kruhová vá1covaná tyc ideálním polotovarem, ale pri výrobe prírub z tycových polotovaru obrábením je velmi nízké využití materiálu a mnohem vyšší spotreba energie než pri jejich odlévání (tab. 2.3). Výhodné jsou levné válcované polotovary také v kusové výrobe, kde by se nevyplatila výroba modelu, resp. tvárecích nástroju. Výkovky mají ve srovnání s odlitky následující nevýhody: odlitky mohou být tvarove složitejší (mohou mít složité dutiny, vysoká tenká žebra, prekrývající se plochy apod.), odlitky se mohou tvarove lépe prizpusobit funkci soucásti Ue u nich možno snáze dosáhnout takového rozložení materiálu, které zajistí vysokou tuhost nebo pevnost), odlitky mohou mít menší tlouštky sten, menší úkosy, menší zaoblení hran i koutu, odlitky obvykle mívají menší prídavky na obrábení, díky výše uvedeným výhodám bývají odlitky o 10 až 50 % lehcí než výkovky stejné funkce, pevnosti nebo tuhosti, litím je možno zpracovávat širší škálu materiálu, horní hranice hmotnosti zápustkových výkovku jsou kolem 500 kg (bežne do 50 kg), zatímco odlévat je možno díly o hmotnosti až pres kg, modelová zarízení jsou levnejší než kovací zápustky a mohou mít i vyšší životnost, celkové náklady na výrobu soucástí bývají obvykle nižší pri použití odlitku než zápustkových výkovku (obr. 2.1). 1O Zápustkové kování Lití metodou " vytavitelného." :.~~ mojdelu """,-, " "'. -" '"' Lití na syrovo -...:: : ,- "-..""'-. -o -j<=- ~~~~T' ~~ Kokilovélití O Celkový pocet kusu Obr. 2.1 Porovnání nákladu na výkovky a odlitky vyrábené ruznými technologiemi 12

12 Na druhé strane pro výkovky hovorí zejména: lepší mechanické vlastnosti (zejména houževnatost a mez únavy), méne castý výskyt a nižší závažnost povrchových i vnitrních vad. Nejznámejší skupinou SOtlCástí;u nichž, prinám zámena výkovku odlitky teehnické-i ekonomické výhody, jsou klikové-hrídeiespalovacich'mototuodlévané'v-poslednídobe ve stále vetší míre z litiny s kulickovýmgrafitem; K hlavním výhodám litin tu patrfnižší citlivost k vrubum, schopnost tlumení-kmitu, iepšíkluznévlastnosti,'pomalejší opotrebení a nižší modul 'pružnosti, který vede k nižším-pnutím zpusobených-deformacemi (napr; pri'vyosení hlavních ložisek nebo kmitání). V kritických'místech je možno odlitky z litinys-kutickovýnrgrafitem zpevnit váleckováním a jejich tyrdost lze zvyšovat povrchovým kalením nebo nitridováním. Hlavní výhodou však je, že odlévání nabízí možnost dávat soucástem vhodnejší tvar z hlediska tuhosti a potreb obrábeni Hrídele-odlévané-z-Htiny mohou mít'odleheovacidut-iny (obr. 3), výztužná žebra, menšítechnologické prídavky'aúkusy;' Vrtání mazacích-kanálku. je možno nahradit zaléváním ocelovýchtmbieek. Pri-potlŽitílit-iny-s kulickovýmgmfitem-jetak možno proti výkovkum výrazne snížit hmotnost i výrobní náklady, a to dokonce pri zachování tuhosti ipevnostních.charakteristik a zlepšení nekterých užitných vlastností (tab. 4). Výlisky mohou mít ve srovnání s odlitky menši"tlouštky sten. Pro tlouštky sten nad 3 až 4 mm však již muže být výhodnejší-odléváni apri-tlako-vém-lití dokonce-odtlotlštekještenižších. Lisování je doporucováno'používat predevším'prodíly Dtevrenýchtvarusjednotnou tlouštkou sten (nádoby, kryty, atd;}. Vzhledem k vyšší-cen~nástfoju ve srovháhf s-ceoou-ioodelu pro výrobu odlitku se výliskum dává prednost predevším ve velkosériové a-hromadné výrobe. Tam bývá ekonomícky výhodnejší-nežli odlévání za-predpokladu; že--je-možno- kon- strukci dílu prizpusobit možnostemtéto-technologie.-další výhodou výlisku-bývají -veimidob- 'wmeehanieké-vlastnosti a jakostní-povrch; Nevýhooo-u výhslffi-bývá nižší tuhost, kterou-jemožno u odlitku snadno prizpusóbitpotrebám, napr. zesílením tlouštky steny nébo'žebrovaním. Tab. 2.4 Porovnání klikových hrídelu kovaných ajitý~h.zjitin.y s kulickovým grafitem 1 3.0'až7.. - ZápHstkový.. výkovek.. do 20'až. nahrubování, 1 mm 30' jemné % do '% %100-%.užití odlehcovacích dutin Hodnotící kriterium Odlitek z litiny jen pro d02mm 100% zalití s kulickovým broušení amazacíchk:m~ výztužných grafitem namáhání ažeber, 11<1"] vyvážení,o-ptimalizacetvaru-s ohledem-na- 13

13 tt)11j!_rfjt ~tl ~~ Obr. 2.2 Možnosti tvarování litých klikových hrídelu Svarování je proti odlévání pohotovejší a casto nevyžaduje nákladné prípravky a zarízení. Ekonomicky výhodná je výroba svarovaných dílu predevším tehdy, postacují-li kjejich zhotovení hromadne vyrábené polotovary bez velkých nároku na úpravu pred spojováním. Pri výrobe znacne složitých nebo rozmerných dílu (rámy lokomotiv, rozvádecí kola velkých turbín a turbokompresoru atd.), bývají svarováním spojovány i odlitky, výlisky nebo výkovky. Odlévání bývá zpravidla výhodnejší zejména pro menší a kompaktní díly. Prechod ze svarencu na odlitky je obvykle doprovázen výrazným snížením poctu dílu, poctu operací i pracnosti a zkrácením doby výroby.. V kusové výrobe tvarove jednodušších dílu bývají náklady na výrobu svarencu nižší než na výrobu odlitku, které vyžadují zhotovení modelu. Jako príklad je v tab. 2.5 porovnána cena litého a svarovaného stojanu o stejné tuhosti. Vzhledem ke zhruba polovicnímu modulu pružnosti litiny ve srovnání s ocelí, musí mít litá konstrukce silnejší steny a více výztužných žeber. Bývá proto až dvakrát težší, což se odráží i v podstatne vyšších nákladech za materiál. Pri lití malého poctu odlitku tvorí znacný podíl nákladu cena modelového zarízení, a proto je pro výrobu jediného kusu nebo malé série výhodnejší svarování. Pri výrobe vetší série, napr. 100 kusu, však bývá již výhodnejší odlévání. Z tab. 2.6 je patrno, že hlavní prícinou vyšších nákladu je vysoká pracnost spojená s prípravou a spojováním jednotlivých dílu svarence. K výhodám litinových odlitku ve srovnání se svarenci však patrí i: vyšší presnost a reprodukovatelnost rozmeru, dlouhodobá stálost rozmeru i vlastností (nestánou), možnost optimalizace tvaru dle zatížení a vyztužování zmenou tlouštek sten a žebry, menší citlivost na vruby (kterým je navíc možno se vhodnou konstrukcí vyhýbat), menší vnitrní pnutí (tím casto odpadá potreba žíhání k jejich odstranení), schopnost tlumení kmitu (významná napr. u presných obrábecích stroju), klidnejší a tišší chod a menší amplituda kmitu pri rezonanci, lepší kluzné vlastnosti a menší opotrebení pri kluzném trení, menší pnutí a deformace pri zmenách teploty, lepší obrobitelnost, mnohdy pritažlivejší vzhled. 14

14 Znacnou nevýhodou svarování je i špatná svaritelnost materiálu s vyššími pevnostmi. Zatímco zarucenou svaritelnost mají oceli prevážne do pevnosti 500 MPa, je možno pro nárocné odlitky využívat speciální litiny s pevnostmi vyššími. Tab. 2.5 Porovnání vlastností a nákladu na výrobu litých a svarovaných 200% % 40% 50% % Svarenec Odlitek100 z bežné z bežné % oceli litiny stojanu Tab. 2.6 Porovnání skladby nákladu pri výrobe odlitku a svarencu v sériové výrobe O % % Svareneci Odlitky % %2 % z bežné 5 -% z bežné 25 (model) % % ocelilitiny 2.1 Technologie výroby odlitku Ve slévárnách jev soucasnosti používána široká škála postupu, které se liší predevším zpusobem výroby forem Gader) ci lití. Volbu technologie pri tom nejvýrazneji vymezuje konstrukce odlitku (vcetne typu slitiny), požadavky na jakost a predpokládaný objem zakázky (tab. 2.7). Slitiny železa jsou odlévány v prevážné míre do netrvalých syrových pískových forem, do nichž jsou pro vytvárení dutin a bocních výstupku zakládána dle potreby jádra, zhotovená nejcasteji z chemicky vytvrzovaných smesí. V kusové výrobe se pro výrobu forem používají volné modely, zatímco pro sériovou výrobu na formovacích strojích se používají modely upevnené na modelových deskách. Tato nejméne nákladná technologie vhodná pro kusovou až velkosériovou výrobu však neumožnuje odlévat znacne složité ani težké odlitky. Nekdy také nevyhovuje pro nižší presnost a hrubší povrch odlitku. V takových prípadech je možno používat pevnejší a presnejší pískové formy obsahující jako pojivo nejcasteji umelé pryskyrice nebo vodní sklo, které dávají formám vyšší pevnosti než pojiva jílová. Pro výrobu odlitku ze slitin s nižšími teplotami tavení je nejpoužívanejší odlévání do trvalých kovových forem (gravitacní = kokilové, nízkotlaké a tlakové). Vzhledem k vyšší rychlosti tuhnutí dosahují odlitky odlévané do kovových forem jemnejší strukturu a vyšší hodnoty pevnostních charakteristik. Protože výroba techto forem je nákladnejší než výroba modelu pro formy netrvalé, jsou tyto technologie hospodárné až pro vetší zakázky. Výjimecne jsou do kovových forem odlévány i jednodušší litinové odlitky, které zde pri vhodné volbe složení dosahují velmi jakostní strukturu i povrch. 15

15 Tab. 2.7 Technické možnosti základních metod výroby forem a lití Technologie Hmotnost Tlouštky. Vhodná odlitku 102_ nad ,5 Jádra Produktivita forem [kg] série Drsnost Formy pro sten , ,2-12, Q [/lm] [ks] , , ,5 1,6-12,5 6, ,3-25 3,2-25 (F) FJ , F F1O 1oj (1) 40 Ra J za -*) ) 107_ Tolerance IT _104 [mm] *) výrazne závisí na velikosti odlitku a vybavení slévárny Tab. 2.8 Príklad porovnání efektivnosti výroby odlitku ze slitiny AlSi Nízkotlaké lití kové formy 0,5 3, , lití strojne 25 Tlakové Lití kové vyrábené 3,2 1, ks/h Gravitacní do do 25 formy 12,5 kovopís- MPa mm formy 11m Kc % ks lití Lití do pís- Zivotnost Zarucovaná Max. Cena Bežné modelu odchylky prídavky mo-ci Produktivita Prakticky neomezené možnosti pro tvarování odlitku nabízejí konstruktérum metody vytavitelného a spalitelného modelu. Není tu totiž nutné prizpusobovat tvar dílu potrebe vyjímání modelu z pískové formy, resp. ztuhlého odlitku z trvalé formy. Nevýhodou ovšem je, 16

16 že každý odlitek vyžaduje výrobu vlastního modelu. Technologie výroby keramických forem pomocí vytavitelného modelu je sice velmi nákladná a pracná, ale na druhé strane umožnuje dosahovat vysokou presnost a hladký povrch, a tak výrazne snížit potrebu následujícího obrábení. Hlavní použití proto nachází pri výrobe znacne složitých dílu z hure obrobitelných materiálu. Vedle meritelných parametru slévárenských technologií uvedených v tabulce 2.7 je pro volbu zpusobu výroby odlitku významná i rada dalších kriterií, k nimž patrí zejména: druh odlévané slitiny (licí teploty, reakce s formou,... ), požadovaná složitost tvaru (dutiny, úkosy, žebrování,... ), cena a životnost modelového zarízení nebo trvalých forem, požadavky na rozpadavost forem a jader a nároky na cištení, požadavky na jakost a dodatecné úpravy odlitku vcetne obrábení, predpokládaný objem zakázky, možnost mechanizace a automatizace, nároky na výrobní zarízení, výrobní plochy, energie a suroviny, potrebná doba prípravy, hygiena práce - prašnost, zápach, toxické látky, hluk, odpady, spotreba a možnost regenerace smesí, zkušenosti s urcitou technologií, cena pracovní síly, celkové náklady na kus, resp. objednané množství. Príklad základních parametru, podle nichž bývá rozhodováno pri volbe technologie lití dílu ze slitin hliníku, je uveden v tab Zásady volby materiálu odlitku V olba vhodného materiálu je nejen jedním ze základních predpokladu splnení požadavku kladených na odlitek, ale i jedním z nejvýznamnejších faktoru ovlivnujících hospodárnost jeho výroby. Pri návrhu slitiny tedy nelze vycházet pouze z mechanických nebo fyzikálních vlastností urcovaných zamýšlenou funkcí dílu, ale je nutné respektovat i hlediska výrobní a ekonomická. Je tedy treba napr. zvažovat, zda prínos vylehcení dílu, které umožnuje použití pevnejší slitiny, preváží negativní doprovodné jevy této zmeny, k nimž bude patrit nejspíše vyšší cena materiálu, nižší houževnatost, obtížnejší úpravy odlitku, zhoršená obrobitelnost a svaritelnost, nárocnejší tepelné zpracování, a tím pravdepodobne i vyšší náklady na výrobu soucásti. Ty však mohou být zcela kompenzovány napr. úspornejším provozem nebo menším opotrebením, a tím zvýšenou životností. Mechanické vlastnosti Specifickou zvláštností litých materiálu, na kterou by konstruktér nemel pri pevnostních výpoctech nikdy zapomínat, je výrazný vliv metalurgie, podmínek lití, chladnutí a tepelného zpracování na strukturu a vlastnosti odlitku. Proto není možné ocekávat, že hodnoty mechanických vlastností uvádené v norme urcitého materiálu (merené na normalizovaných vzorcích, litých, a prípadne i tepelne zpracovaných, za presne definovaných podmínek) budou shodné s vlastnostmi konkrétního dílu. Pevnostní charakteristiky bývají napr. výrazne závislé na tlouštce steny odlitku, ochlazovací schopnosti formy a podmínkách prípadného tepelného zpracování. Rozdíly v pevnosti je možno ale zaznamenat i mezi jednotlivými cástmi odlitku, napr. v závislosti na hloubce pod povrchem, možnosti dosazování z nálitku, vzdálenosti od 17

17 chladítka nebo ústí vtokové soustavy apod. U odlitku užívaných "v litém stavu" (bez tepelného zpracování) je také treba pocítat s prítomností vnitrních pnutí, která mohou únosnost výrazne oslabit. Pokud se z techto skutecností vychází již pri konstrukci odlitku, je možno predejít jeho selhání nebo naopak predimenzování volbou zbytecne velkého soucinitele bezpecnosti. Pri dané metalurgické jakosti slitiny ovlivnuje nejvýznamneji strukturu, a tím i vlastnosti odlitku, rychlost chladnutí. Rychlejší chladnutí tenkostenných odlitku nebo odlitku litých do kovových forem zpravidla zpusobuje zvýšení pevnostních charakteristik a nekdy dokonce i plastických vlastností. Soucasne je však treba i pocítat s tím, že rychlé ochlazování zvyšuje rozdíly mezi smrštováním jednotlivých cástí odlitku, a tím zvyšuje hladinu vnitrních pnutí. Pri pomalém chladnutí, zejména u silnostenných odlitku, je treba naopak pocítat s tím, že hodnoty jejich mechanických vlastností budou horší než u standardních vzorku a tenkostenných odlitku, zvlášte v místech která tuhnou naposledy. Proto by mel konstruktér znát podmínky, za jakých se vlastnosti zkoušejí a vztahy mezi vlastnostmi zkušebních vzorku a reálných odlitku. U materiálu, které jsou nejcitlivejší na tlouštku sten odlitku a podmínky lití, je na tuto skutecnost pamatováno již v príslušných normách. U ostatních je treba vyhledat potrebné údaje v odborné literature nebo konzultovat otázku vlastností urcitého materiálu pro konkrétní díl a technologii lití se slévárnou, která bude jeho výrobu zajištovat. Jen mezi litinami jsou vzhledem k jejich specifickým vlastnostem v tomto ohledu znacné rozdíly: Pevnost litin s lupínkovým grafitem se obvykle zjištuje na vzorcích obrobených ze samostatne odlitých tycí o prumeru 30 mm. Vzhledem ke znacné citlivosti vlastností této litiny na rychlost chladnutí (obr. 2.3) z nich bývá odhadována skutecná pevnost materiálu odlitku pomocí vhodných diagramu, tabulek nebo empirických vztahu (viz CSN EN 1561). Mechanické vlastnosti litin s kulickovým grafitem se obvykle zkoušejí na vzorcích obrobených ze samostatne odlitých kusu (tlouštky 12, nebo 75 mm, která se volí podle smerodatné tlouštky steny odlitku). Dále je možno používat zkušební telíska zhotovená z prilitých zkušebních vzorku (u odlitku s tlouštkou steny pres 30 mm) nebo vyrezaná na dohodnutém míste prímo ze zkušebního odlitku. Pro vzorky z prilitých zkušebních kusu uvádí CSN EN 1563 predepsané mechanické vlastnosti v závislosti na tlouštce steny odlitku. U vetších tlouštek je treba pocítat s poklesem pevnostních charakteristik i tažnosti (obr. 2.4). Mechanické vlastnosti temperovaných litin se zkoušejí na samostatne odlitých neobrobených zkušebních tycích (prumeru 6, 9, 12 nebo 15 mm, který se volí podle smerodatné tlouštky steny odlitku) zpracovaných tepelne stejným zpusobem jako príslušné odlitky. Zatímco u temperované litiny s cerným lomem tlouštka odlitku prakticky mechanické vlastnosti neovlivnuje, je u temperované litiny s bílým lomem vliv tloušttky výrazný. Tencí odlitky se totiž pri tepelném zpracování silneji oduhlicí a vykazují nižší hodnoty pevnostních charakteristik pri vyšší tažnosti (obr. 2.5). Mechanické vlastnosti neželezných slitin bývají v normách uvádeny oddelene pro jednotlivé doporucené zpusoby lití. I zde je potreba pocítat s tím, že se jedná o hodnoty zjištené na vzorcích litých tak, aby vykazovaly co nejmenší porezitu. 18

18 r ~ r ~ ""- ""'-- I"'--- r MPa , Tlouštka steny mm EN-GJL-350 EN-GJL-300 EN-GJL-250 EN-GJL-200 EN-GJL-150 Obr. 2.3 Vliv tlouštky steny na pevnost litiny s lupínkovým grafitem MPa EN-GJS EN-GJS EN-GJS , Tlouštka steny mm Obr. 2.4 Vliv tlouštky steny na mez kluzu litiny s kulickovým grafitem Jako první vodítko pri hledání vhodné slévárenské slitiny z hlediska namáhání zpravidla slouží mez pevnosti nebo kombinace meze kluzu a tažnosti. Podle techto kriterií se však vždy nabízí celá rada materiálu, z nichž by pak mel být volen takový, jehož užití: 1. je reálné - z temperované litiny nelze napr. zhotovit silnostenný odlitek, a naopak z oceli jen velmi obtížne odlitek tenkostenný; 2. splnuje další specifické požadavky - napr. kombinaci dobrých kluzných vlastností a odolnosti proti opotrebení, zarucenou svaritelnost apod.; 3. je nejhospodárnejší - je treba zvážit nejen cenu a využití materiálu, ale i náklady na výrobu formy a Úpravy po odlití vcetne tepelného zpracování a obrábení. 19

19 I GJMW ~ / 'i- --,...GJMW GJMB '...-',. GJMB / '\ i '\ % I \ A GJMB RpO,2 GJMW-450-7\ I \\!\ \, ; "- I "-.. r-.. Rm MPa 200 o o o o Tlouštka steny mm Tlouštka steny mm Obr. 2.5 Vliv tlouštky steny na mechanické vlastnosti temperované litiny Jak již bylo výše naznaceno, nemusí zdaleka platit, že nejlepší volbou je nejpevnejší slitina nebo slitina s nejvyšším pomerem pevnosti k cene materiálu apod. K castým chybám pri volbe materiálu napr. patrí: Používání pevnejších jakostí litin s lupínkovým grafitem pro tenkostenné odlitky, kde mohou dosáhnout pevností pres 200 MPajiž litiny EN-GJL-100 nebo EN-GJL-150 (CSN , CSN ) pri tvrdosti kolem 200 HB. Litina EN-GJL-200 (CSN ) sice dosáhne u tenkostenných odlitku pevnosti pres 230 MPa, ale vzhledem k tvrdosti až pres 250 HB a k možnému výskytu zákalky na povrchu a hranách odlitku bude jejich obrobitelnost znacne obtížná. Naopak pro odlitky s velkými tlouštkami sten je nutno používat litiny znacek s vyšší pevností. Nevhodná interpretace materiálových charakteristik - napr. predpoklad, že pri prechodu z litiny s lupínkovým grafitem EN-GJL-200 (CSN ) o pevnosti 200 MPa na litinu s kulickovým grafitem EN-GJS (CSN ) o pevnosti 400 MPa dosáhneme zdvojnásobení statické únosnosti dílu. Zmínená litina s kulickovým grafitem má totiž zarucenou mez kluzu pouze 250 MPa. Bude-li se navíc jednat o díl s malou tlouštkou steny (kde vykazují litiny s lupínkovým grafitem zvýšenou pevnost) a namáhaný na ohyb (který litina s lupínkovým grafitem snáší lépe než cistý tah), muže se díl z litiny s kulickovým grafitem poškodit (trvalou deformací) dokonce již pri menším zatížení než díl z litiny s lupínkovým grafitem (krehkým lomem). Navíc je treba pri zmínené zámene materiálu pocítat s poklesem tvrdosti, vyšší rychlostí opotrebení a nárustem ceny. Specifikace materiálu obtížne dosažitelnými kombinacemi mechanických vlastností. Nesplnitelné bývají zejména požadavky kombinující vysokou pevnost s nízkou tvrdostí nebo vyžadující úzké rozmezí tvrdosti merené na libovolném míste odlitku, které od sléváren vyžadují zpracovatelé odlitku pro usnadnení obrábení. Neoduvodnené požadavky na vysokou houževnatost jako pojistky proti lomu znacne namáhaných dílu. Kvantifikace míry potrebné schopnosti odolávat rázum je totiž nesnadná a casto zavádející. Houževnatost se totiž zjištuje na zvláštních vzorcích (obvykle obrobe- 20

20 ných s vrubem, pri cemž díl bude nejspíš v kritickém míste neobrobený a bez vrubu) za podmínek, které se znacne liší od podmínek, pri kterých bude odlitek pracovat. Proto konstruktéri casto stanovují nároky na houževnatost vyjadrované minimální nárazovou prací (vrubovou houževnatostí), nebo tažností materiálu, pouze na základe intuice. Takto formulovaný požadavek na materiál však nekdy bývá neoduvodnene prehnaný vylucuje užití pevnejších slitin. Opomenutí možnosti využití tepelného zpracování nebo mechanických úprav k náprave nekterých nedostatku lité struktury. Napr. mechanické vlastnosti odlitku ze slitin AI, Ti, Ni a Co je možno zlepšit izostatickým lisováním, pri nemž je plastickou deformací odstranována vnitrní porezita, což se odrazí ve zlepšení mechanických vlastností, zejména meze únavy. Opomenutí vlivu zvýšených nebo nízkých provozních teplot. Opomenutí nebo precenení potrebné odolnosti proti korozi nebo opotrebení. Mechanické vlastnosti za zvýšených teplot Pro nekteré slévárenské slitiny bývají uvádeny i základní mechanické vlastnosti za zvýšených teplot. Pokud to jsou hodnoty zjištené pri krátkodobých zkouškách, které uvádí napr. obr. 2.7 pro litiny s kulickovým grafitem, nelze je prímo využít pro dimenzování dílu vystavených zatížení za zvýšených teplot dlouhodobe, kdy dochází kjejich plastické deformaci, tzv. tecení (creepu) a do hry tím vstupuje i casový faktor. Tak napr. uhlíková ocel s 0,2 % C o pevnosti min. 420 MPa vykáže pri krátkodobé zkoušce za 450 oe pevnost pres 240 MPa. Za h ji ale pri této teplote poruší již zatížení kolem 130 MPa a za h zatížení pouze 80 MPa. U litin vystavených dlouhodobe teplotám nad 500 oe je treba navíc pocítat i se zvetšováním objemu pri rozpadu cementitu a perlitu, prípadne i oxidaci Rm [MPa] ----Rp 0,2 [MPClJ -.-. A [%] A [%] - E cr: o O J ~ ObL 2.7 Vliv teploty na mechanické vlastnosti litiny s kulickovým grafitem 21

21 Z rady materiálových charakteristik se pro díly pracující za zvýšených teplot nejcasteji používají: Mez pevnosti pri tecení RmT t1t je napetí, které zpusobí pri teplote T [OC] lom po dobe t [h] (napr. RmT 104/600 znací pevnost za teploty 600 C pri trvání zkoušky 104 hod). Mez tecení RT t1e1t je napetí, které zpusobí pri teplote T [ C]za dobu t [h] deformaci E [%]. Její hodnoty bývají východiskem napr. pri dimenzování dílu, které si mají udržet za zvýšených teplot dlouhodobe rozmerové tolerance (napr. RT 1000/0,1/550 znací napetí, které za 1000 h zpusobí pri 550 C trvalou deformaci 0,1%). Rust [%11000 h] zpusobený u litin strukturními premenami a vnitrní oxidací. Okujení [g/m2.h] zpusobené oxidací (u litin výrazné nad 700 C) Fyzikální vlastnosti Volbu materiálu odlitku mohou v nekterých prípadech ovlivnovat požadavky na specifické vlastnosti, napr. tepelné, elektrické, magnetické apod. Vzhledem k rozptylu chemického složení jednotlivých slévárenských slitin, možné porezite a heterogenite struktury lze uvádet pouze jejich orientacní hodnoty (tab. 2.9). Pouze u nekterých slitin lze najít v normách nekteré bližší údaje. Z významných velicin je možno pripomenout: Hustota (merná hmotnost) p slévárenských slitin není dána pouze chemickým složením slitiny. Ovlivnuje ji i cistota, licí teplota, podmínky chladnutí, odmešování, porezita (staženiny a bubliny), tepelné zpracování, fázové premeny atd. Výrazné rozdíly v hustote vykazují zejména litinové odlitky v závislosti na složení a množství vylouceného grafitu. Modul pružnosti v tahu E urcuje nejen tuhost dílu, ale ovlivnuje i velikost pnutí pri deformaci odlitku nebo zmenách jeho teploty. U vetšiny slitin s homogenní strukturou je jeho velikost málo závislá na odchylkách složení a podmínkách lití. U litin (E = 60 až 185 GPa) je ale silne závislá na tvaru, velikosti a množství vylouceného grafitu. Nejvýrazneji se to projevuje u litiny s lupínkovým grafitem, kde pri urcitém chemickém složení dosahuje rozptyl až ± 40 GPa. Navíc je u ní velikost modulu pružnosti závislá i na smyslu a velikosti zatížení, tzn. deformace není úmerná zatížení. Odchylky jsou však výrazné až pri zatíženích presahujících 50 % meze pevnosti. Modul pružnosti všech slitin se snižuje s rostoucí teplotou zhruba neprímo úmerne výšce teploty tavení slitiny. Tak napr. zvýšením teploty z 20 C na 250 C klesne tuhost ocelových odlitku na zhruba 95 %, litinových na 90 %, ale odlitku ze slitin hliníku na 70 % puvodní hodnoty. Pro odlitky vystavené výrazným teplotním zmenám (výfuková potrubí, brzdové kotouce, soucásti pecí apod.) je dávána prednost materiálum s nižšími hodnotami modulu pružnosti, protože se tím zmenšují pnutí vyvolaná teplotní roztažností. Nejméne pevné litiny s vysokým podílem lupínkového grafitu a nízkým modulem pružnosti proto casto v podmínkách tepelné únavy predcí materiály výrazne tužší a pevnejší. Nevýhodou však je, že v celém souboru slévárenských slitin nelze najít žádnou, která by mela vedle nízké tuhosti i vysokou pevnost. Soucinitel teplotní roztažnosti ex. ovlivnuje velikost pnutí pri zmenách teploty. Jeho vysoké hodnoty (napr. u slitin hliníku a austenitických ocelí) zvyšují hladinu vnitrních pnutí a snižují rozmerovou stabilitu. Problémy vznikají pri pevném spojení dílu s rozdílnou teplotní roztažností, pracují-li za podmínek menících se teplot (napr. slitiny železa se slitinami hliníku). Soucinitel teplotní roztažnosti je možno u nekterých slitin výrazne ovlivnovat volbou chemického složeni. Tak napr. u bežných litin je ex. = 12.1O-6K-1 Prísadami niklu je však možno tuto hodnotu zvýšit až na ex. = 18.lO,6K-l (pri 18 %Ni) nebo naopak snížit 22

22 až na a = K-1 (pri 35 % Ni). Zvýšení teplotní roztažnost litin je pri tom požadováno napr. u dílu zalévaných do slitin hliníku (nosice pístních kroužku, pouzdra) nebo pevne spojených s díly z hliníkových slitin (hlava válcu - výfukové potrubí), zatímco malé hodnoty jsou výhodné napr. pro díly zalévané sklem ci keramikou. Soucinitel tepelné vodivosti "A a merná tepelná kapacita c ovlivnují (spolecne s hustotou p) teplotní pole pri chladnutí a zmenách teploty. Jejich souhrnný vliv bývá vyjadrován soucinitelem teplotní vodivosti a = IJp.c. Vyšší hodnoty tohoto soucinitele (mají zpravidla kovy s malým podílem prísad a necistot) prispívají ke snižování teplotních gradientu, a tím i proti vzniku pnutí a deformací tepelne zatežovaných odlitku; nízké mohou naopak podporit vznik trhlin. Logaritmický dekrement tlumení o (prirozený logaritmus pomeru dvou po sobe následujících amplitud kmitu) vyjadruje schopnost materiálu absorbovat cást energie pružné deformace pri jednom zatežovacím cyklu. Vysokou hodnotu tohoto soucinitele, a tedy i vysokou tlumící schopnost, mají zejména látky s heterogenní strukturou; mezi slévárenskými slitinami predevším litiny s lupínkovým grafitem. Tato vlastnost je duležitá pro zajištení klidného chodu a zvýšení presnosti práce rady stroju, zmenšení opotrebeni vedení, ozubení a ložisek i snížení hlucnosti (napr. u motoru, prevodovek, kompresoru, obrábe CÍch a tkalcovských stroju). Tab Hodnoty významných fyzikálních vlastnosti bežných slitin na odlitky mický Soucinitel Rezisti- Logarit- Hustota Modul Merná pružnosti pružnosti vodivosti teplotní ve Soucinitel tepelná vita smyku v tahu EG 1O-óK-1 roztažnosti W/m.K 5-25 GPa C kapacita P dekrement tepelné J/kg.K j..lqm ,3-0, kg/m3 "A ,1-0, , , , , ým tlumení Modul 0,50-0, ;17 0,08 0,05 0,4 Litiny Temperované s 23