ROZBOR METOD NÁLITKOVÁNÍ LITINOVÝCH ODLITKŮ

Transkript

1 RZBR ETD ÁLITKVÁÍ LITIVÝCH DLITKŮ Vondrák Vladimír, Pavelková Alena, Hampl Jiří VŠB TU strava, 17. listopadu 15, strava 1. ÚVD Smršťování litin je průvodním jevem chladnutí, probíhajícím od počáteční teploty, kdy se litina nachází v tekutém stavu, do teploty pokojové kdy se litina nachází, ve stavu pevném. Chladnutí v oblasti vysokých teplot (teplota počáteční T P až teplota solidu T S ) nazýváme ve slévárenské terminologii tuhnutím, od teploty solidu kdy se nachází litina pouze v pevném stavu do teploty pokojové, ponecháváme označení jako chladnutí. Výše uvedené smršťování v oblasti vyšších teplot nazýváme stahováním, kterým vyjadřujeme určitou slévárenskou vlastnost tohoto konstrukčního materiálu. Stahování litin tedy probíhá při přechodu z tekuté fáze do fáze pevné, do teploty solidu. Výsledkem stahování jsou objemové a lineární změny, které v konečné fázi vedou ke vzniku staženiny.vzniku staženiny lze zabránit v případě, že objemové smrštění je kompenzováno objemovým nárůstem. Přechod litiny z tekuté fáze do fáze pevné tj.krystalizace je velmi složitý a dosud ne zcela jasně vysvětlený. Při krystalizaci se vylučuje současně kovová fáze γ-železa a nekovová fáze - grafit a vytváří se heterogenní soustava. Pro metalurga je důležité následující hodnocení tuhnutí: a) etastabilní tuhnutí. V tomto případě se uhlíková fáze bude vylučovat a to ve formě karbidického eutektika (ledeburitu) nebo ve formě segregačně vyloučeného cementitu. V tomto případě bude charakter stahování obdobou oceli, tzn. že ke smršťování bude docházet po celou dobu tuhnutí. Litina má bílý vzhled lomu a objemové smrštění připadající na stahování se udává v hodnotě β = 6%. b) Stabilní tuhnutí, při kterém se vylučuje uhlíková fáze ve formě grafitu. Stabilní tuhnutí podporuje vyšší obsah C + Si, případně obsah dalších grafitotvorných prvků a podmínky pomalého ochlazování. bjemové smrštění způsobující vznik staženiny se udává v širokém rozmezí dle druhu litiny a dle obsahu C, viz. tab.č. 1 β =,8 4,3% u šedé litiny a β = - 4% u tvárné litiny [1]. Stabilní tuhnutí litiny je základem a důležitou podmínkou hospodárného nálitkování litinových odlitků. Zvyšování množství vylučujícího se uhlíku ve formě grafitu zvyšuje hodnoty tzv. grafitické expanze. Tato příznivě ovlivňuje průběh stahování, neboť kompenzuje objemový úbytek vlivem smršťování a ovlivňuje celkovou hodnotu objemového smrštění. Zvýšený obsah uhlíku a křemíku v litinách ovlivňuje způsob krystalizace a tím i průběh objemových změn takto: 1) množstvím vyloučeného uhlíku ve formě grafitu především při eutektické reakci, které lze vypočítat z chemického složení ze vztahu dle []: EG = C anal 1,3 +,1. (Si + P) nebo dle dnes platných údajů v diagramu Fe Fe 3 C Si EG = C anal 1,7 +,18. (Si + P) kde: C anal celkový C zjištěný analyticky Si +P je obsah těchto prvků v %, zjištěný rovněž analyticky

2 Tento eutekticky vyloučený uhlík ve formě grafitu způsobuje zvětšení objemu v průběhu krystalizace. Vhodnější je určit volný nebo vázaný uhlík chemickou cestou a potom platí vztah: C anal = C volný + C vázaný tedy C celk. = grafit + Fe 3 C a základě těchto hodnot lze určit dle [3, 4] objemový nárůst při krystalizaci grafitizující litiny. ) Vlivem vyššího obsahu C + Si dochází při krystalizaci k eutektické prodlevě kdy je v rovnováze tavenina a tuhá fáze sestávající ze dvou složek a to: z austenitu a vysokouhlíkové fáze tj. z cementitu nebo grafitu. Krystalizace eutektika probíhá vlivem přítomnosti dalších prvků v litině v intervalu teplot, z nichž významný je vliv Si a sice dle vztahu: T E = ,7. %Si bsah C + Si určuje stupeň eutektičnosti S c na jehož hodnotě závisí průběh tuhnutí, který lze rozdělit na etapy: a) primární smrštění S 1 b) smrštění mezi teplotou likvidu T L a teplotou eutektickou T E, které nabývá hodnot od S +, tj. S 1, 1 c) grafitická expanze + d) sekundární smrštění S Tyto objemové změny probíhající v průběhu tuhnutí jsou velmi důležité pro stanovení velikosti nálitku, případně pro stanovení beználitkového odlévání. Vzájemný poměr smršťování ku nárůstu v době tuhnutí lze stanovit ze stupně eutektičnosti (S c ) litiny, který určíme výpočtem z obsahu C, Si, případně dalších prvků. Čím nižší je hodnota S c, tím větší je procentový podíl smrštění a tím menší je hodnota grafitického nárůstu a naopak. Dalším důležitým kritériem objemových změn je rychlost ochlazování, kterou definujeme těmito podmínkami: a) tepelnou akumulací formovacího materiálu, tj. b f slévárenské formy. Čím je větší její hodnota, tím menší je nárůst objemu, neboť tím menší je grafitizační schopnost litiny. b) tloušťkou stěny odlitku vyjádřené modulem odlitku. Je-li odlitek vzhledem k jeho tvaru tvořen více moduly s odlišnou hodnotou, bereme v úvahu vždy největší modul, který je význačným modulem pro stanovení velikosti nálitku. Výsledné hodnoty smrštění a nárůstu jsou konfrontací těchto výše uvedených podmínek tedy, chemického složení a rychlosti ochlazování, jak je detailně uvedeno v [5].. ÁLITKVÁÍ DLITKŮ ZE ŠEDÉ LITIY I když v minulosti nebylo nutné litiny ČS 4 4 a ČS 4 45 nálitkovat ukazuje se, v současné době nutnost nálitkování odlitků odlévaných z těchto litin. Přechod tavení na elektrické indukční pece umožňuje zvýšení podílu ocelového odpadu ve vsázce, což sice zlevňuje vsázku na druhé straně však vede k vyšším tavícím teplotám.tím se snižuje grafitizační schopnost litiny, kterou můžeme zvýšit různými způsoby očkování. ízká grafitizační schopnost vede k malé grafitizační expanzi a tím hodnoty nárůstu jsou nízké,

3 vzhledem k hodnotě smrštění. Zvlášť odlitky s nižší hodnotou modulu ( < 1cm) lité do bentonitových forem je nutné případ od případu nálitkovat. 6 Bentonitová forma 14 C 135 C Doba tuhnutí [min] C 15 C 1,5 1 1,5,5 3 odul odlitku [cm],75 3 S 1% 1% obr. č. 1 Doba tuhnutí a hodnota smrštění v době tuhnutí K určení velikosti nálitku potřebujeme tyto hodnoty: hmotnost odlitku, modul odlitku, hodnotu smrštění β a podíl smrštění (v %) z celkové doby tuhnutí. Vycházíme ze známé úvahy, že doba tuhnutí nálitku (τ ) musí být rovna době tuhnutí odlitku (τ ), tedy: τ = τ Dle Chvorinova a dosazením = k. k τ z toho τ = k = když k k = k potom = pro smrštění S = 1% Tedy za podmínky,že v průběhu tuhnutí převládá smršťování a nárůst je zanedbatelný. Kdy může nastat tento případ: S = 1% a = je-li nízký modul odlitku = 1, =,75 a nižší, bentonitová směs, ruční formování, vysoká teplota lití.

4 V případě, že nastanou opačné podmínky snižuje se hodnota smrštění (S) až na hodnotu 1%. Pak se vztah postupně mění až na hodnotu =,1. S = 1% odul nálitku se však mění kvadraticky dle vztahu = S. a obrázcích 1 a jsou znázorněny příslušné hodnoty takto: a obr. 1 je znázorněna doba tuhnutí v závislosti na modulu odlitku a k tomu příslušná hodnota S v % nebo v jednotkách. a obr. je znázorněn vztah / v závislosti na hodnotě S. 1, / 1,8,6,4,,5 1 S obr. č. Hodnota v závislosti na hodnotě smrštění.1. odulová metoda Dle modulové metody stanovíme velikost nálitku následovně: Válcový, uzavřený nálitek: S = 1% =,31 v = 4. r nebo v =. d r. v =,31. (r + v) 4. r dosazením v = 4. r dostaneme =, r po úpravě 5 r = 31. =,775. [cm]

5 Tentýž případ avšak pro S = 1% = 1 potom r =,5. odulová metoda je vhodná pouze pro odlitky jednoduchých geometrických tvarů přičemž je možno použít pro stanovení hodnoty S nomogram na obr. 3 [6] udávající vztah mezi hodnotou EG teoretickou a skutečnou, modulem odlitku a teplotou lití. omogram na obr. č. 3 platí pro EG = C anal 1,3 +,1. (Si + P). obr. č. 3 Závislost mezi EG, modulem odlitku a hodnoty smrštění [6]. etoda stanovení velikosti nálitku pomocí β a koeficientu nehospodárnosti x V případě, že odlitek je tvarově složitější sestává z více modulů o různé hodnotě, potom lze použít ke stanovení velikosti nálitku tzn. koeficientu nehospodárnosti x dle [7]. Zvolíme hodnotu smrštění β, která závisí dle [8] na obsahu C takto: β = 8 4,3% pro C = 4,4,8%. Hodnotu x určíme z tabulky č. 1

6 Tabulka 1. Výchozí hodnoty objemu staženin slévárenských slitin Kov Podíl objemu staženiny [%] litá ocel nelegovaná a legovaná 4, 7, temperovaná, tvrzená a odolná proti opotřebení 6, litina s lupínkovým grafitem C = 3,5 4,% litina s lupínkovým grafitem C = 3, 3,5 litina s lupínkovým grafitem C =,5,75%,6 3, 4,3 litina s kuličkovým grafitem, 4, Hodnoty pro výpočet: nálitek válcový uzavřený v =. d S = 1% tj. =,31 hmotnost odlitku G Hmotnost nálitku: G x. β = G z toho 1 x. β V G = ρ. π. d = 4 3 a po úpravě d,333 4.G = a pro ρ = 7,5 g/cm 3 ( ),333,88. G. π.ρ d = v cm Jestliže dosadíme místo G G, potom po úpravě obdržíme jednoduchý vztah d = (A. G ),333 x. β,64 kde A A = S 1- x. β ρ ρ =, , 314. C kde: C G volný uhlík v % C vázaný uhlík v % Fe 3 C Si obsah Si v % 1 +,478. C G Fe3 C +,189.Si Pro uzavřený atmosférický nálitek stanovíme rozměr krčku dle d takto: při obdélníkovém průřezu: strana a d d d strana b 1 3 d d d Rozměr krčku nálitku lze určit také z modulu nálitku dle vztahu [5]: v KR = f. kde f závisí na poměru d

7 Při použití otevřených přímých nálitků postupujeme stejným způsobem dle výše uvedených vzorců. Výška nálitku je však určena předem výškou horního rámu. Z této výšky pro vypočítaný objem nálitku určíme příslušný průměr nálitku.,5 π.d V Tedy: V = v rámu z toho d = 1,7 4 v rámu 3. ÁLITKVÁÍ DLITKŮ Z LITIY S KULIČKVÝ GRAFITE álitkování odlitků z této grafitizující litiny je poněkud odlišné od šedé litiny, neboť vedle objemových změn, hrají důležitou roli i změny lineární. Hodnota objemového smrštění se uvádí v literatuře [1, 8] v hodnotách 4% eventuelně 8%. abízí se tedy otázka: nálitkovat nebo nenálitkovat odlitky z této litiny. dpověď není jednoznačná. V našem příspěvku uvedeme některé metody nálitkování jako technologickou možnost k dosažení vnitřní zdravosti odlitku s určitou provozní jistotou dovolující právě technologickou volnost. Pro litinu s kuličkovým grafitem lze použít přímé otevřené nálitky, válcové uzavřené atmosférické nálitky, kuželové uzavřené atmosférické nálitky a nálitky tepelně izolované. 3.1 Stanovení velikosti nálitku a rozdíl od šedé litiny nepoužíváme hodnotu S (smrštění), nýbrž vycházíme z těchto výchozích údajů. Kromě hmotnosti odlitku a jeho modulu nebo významné části těchto hodnot, stanovíme velikost nálitku pomocí koeficientu nehospodárnosti x (viz tabulka č. ) nebo stanovíme výpočtem tzv. nutnou napájecí část nálitku. Tato důležitá středová část nálitku je objemově tak rozměrná jako je objem vznikající staženiny v odlitku nebo v jeho tepelném uzlu. Vypočteme ji z hodnoty objemového smrštění β a z hmotnosti či objemu odlitku nebo jeho nálitkované části. G G = G. β v kg nebo g V = β v dm 3 nebo cm 3 ρ kde: G (V ) hmotnost (objem) nutné napájecí části nálitku Tato nutná napájecí část nálitku je základem výpočtu tepelně izolovaného nálitku, kterou je nutno zvětšit o tzv. koeficient jistoty, jinými slovy koeficient x uvedený v tabulce č. pro různé typy nálitku. Z výše uvedeného vztahu je zřejmé, že určit objemové smrštění β je vážným rozhodnutím při určení velikosti nálitku. Tady sice lze určit zásady, které v konečném rozhodnutí musí vyplynout z provozních podmínek výroby odlitků v té či oné slévárně. Tyto podmínky jsou: a) tavící agregát a podíl ocelového šrotu ve vsázce b) teploty přehřátí a lití c) druh formovacích směsí a konstrukce vtokové soustavy d) tvarová složitost odlitku, jeho hmotnost, příslušný model

8 Tabulka. Hodnoty koeficientů nehospodárnosti x álitek Koeficient nehospodárnosti litá ocel LKG podtlakový x 1 x 1 atmosférický zasypaný x = 9-11 x = 8 9 uzavřený podtlakový x = 1-9 x = 7 8 uzavřený atmosférický x = 7-9 x = 5 6 vysokotlaký x = kuželový atmosférický x = 3,5 5 izolovaný x = 4-5 x = -3 ideální x = 1 x = 1 Příklad: G = 15 kg a β = 4%, potom G = 15kg.,4 =,6kg = 6g,333 = 4. 6 ρ. π. 5 vypočteme d pro podmínku, že h = 5. d d = =,7 [ cm] 7 [ mm] h = 7. 5 = 135 [mm] 1.,4 Výpočet dle koeficientu x: G = 15 =,65 = 65 [] g 1-,4.1,333 = 5 11,333 a rozměry nutné napájecí části nálitku: d = =,7 =,8[ cm] 8[ mm] h = 8. 5 = 14 [mm] Zvětšení objemu V vlivem koeficientu x proti původnímu výpočtu vycházejícího z hmotnosti odlitku poskytuje určitou bezpečnost napájení odlitku. 3.. etody uzavřeného válcového nálitku V publikaci [1] se uvádí nomogram autorů publikaci [8] udávající výpočet velikosti nálitku ze vztahu d = f (G ), při podmínce, že h = 1,5. d. Z tohoto vztahu se určí =,8 až 1,., což vyplývá z hodnoty β = 8%. Z modulu odlitku tak stanovíme rozměry krčku nálitku z poměru KR =,5 až,7 Vztah mezi průměrem nálitku a hmotnosti odlitku lze však určit z koeficientu x takto: V x. β G = 1- x. β ρ V nahradíme π.d 4 v x. β G = 1- x. β ρ

9 6 5 x = 5 h =. d 6 5 x = 6 h =. d průměr nálitku v cm 4 3 8% 6% 4% % průměr nálitku v cm 4 3 8% 6% 4% % hmotnost odlitku v kg hmotnost odlitku v kg průměr nálitku v cm x = 8 h =. d 8% 6% 4% % hmotnost odlitku v kg obr.č. 4 a, b, c Stanovení průměru nálitku dle hmotnosti odlitku a hodnoty x jestliže v =. d potom 3. π.d x. β G = 4 1- x. β ρ a úpravou je-li: 3 x. β G 4 3. x. β d = dále upravíme d = G 1- x. β ρ. π (1- x. β).ρ. π. x. β 3 A = potom d = A. G d = (A. G ),333 (1- x. β).ρ. π

10 a dosazením hodnot x, β a ρ obdržíme vztah d = f (G ), znázorněný na obr.č. 4a, b, c, tedy pro x = 5, 6, 8 a β =, 4, 6, 8 což odpovídá uzavřenému nálitku atmosférickému (x = 5 a 6) a nálitku uzavřenému podtlakovému, nebo otevřenému při h =. d. Z průměru nálitku a jeho výšky určíme modul. r. v ( r + v) a dostaneme vztah. Rozměry krčku určíme ze vztahu KR =,4,8. [1]. Při krčku a : b = 1 : je a = 3. KR Kuželový nálitek Uzavřený atmosférický nálitek kuželového tvaru dává předpoklad spolehlivého napájení odlitku. Praktické zkušenosti plně tento předpoklad potvrdily. Tvar kužele umožňuje využití střední nutné napájecí části k dosazování tekutého kovu do vznikající primárně se tvořící staženiny v odlitku. Horní menší plocha komolého kužele (d ) je tvarově vpadlá do dutiny formy, povrchově ztuhlá kůrka kovu se snadno prolomí, čímž se tvoří podmínky pro působení atmosférického tlaku nutného pro dosazování. To dokumentuje řez nálitkem na obr. 5a,b. Primární staženina (hladký povrch) Sekundární staženina (dendritický povrch) Krček nálitku obr. č. 5 a, b Staženiny v kuželovém nálitku [1]

11 Stanovení velikosti kuželového nálitku Vycházíme z hmotnosti odlitku a jeho modulu, nebo je nutné určit jeho význačné části. Dále je nutné určit hodnotu objemového smrštění β, dle výše uvedených kritérií. Velikost nálitku stanovíme následujícím postupem: hmotnost odlitku G = 5 kg, β volíme 3%, modul odlitku 1,6cm. 1) vypočítáme hmotnost nutné napájecí části:g = G. β = 5.,3 =,75 [kg] = 75 [g] ) v příslušné tabulce č. 3 najdeme hodnotu přibližující se vypočítané hodnotě tj. 741g a z ní určíme průměr nálitku d, tj. 3mm a současně výšku nálitku, která v tomto případě je 5-ti násobkem tohoto průměru tj. 15mm (5. 3mm). 3) Spodní průměr nálitku D určíme dle takto: 4. + d = 4. 1,6 + 3 = 7,4 [cm] = 74 [mm]. etoda umožňuje volbu výšky nálitku z průměru d : h = 1:5, 1:6, 1:8. Základní rozměry nálitku jsou obecně znázorněné na obr. 6 dle [9]. apojení nálitku k odlitku stanovíme z modulu odlitku ze vztahu KR =,35 -,95. Tabulka 3. Souvislost mezi d a G při různých poměrech d : h horní průměr nálitku d poměr výšky nálitku (h ) k jeho hornímu průměru (d ) 8 :1 6 : 1 5 : 1 hmotnost [g] r=d h utná napájecí část hx ox d o D obr. č. 6 Stanovení základních rozměrů kuželového nálitku dle tabulkových hodnot

12 Rozborem této metody lze navrhnout její zjednodušení tím, že určíme vztah d = f (G ) následujícím postupem: G hmotnost G = G. β objem V = ρ tedy π.d 4 v G = ρ je-li v = 5. d 5. π. d 4 3 G = ρ z toho d,333 = 4.G za G dosadíme G. β a dostaneme ρ. π. 5 d,333 4.G. β = a jestliže ρ = 7g/cm 3 po dosazení a vyčíslení dostaneme ρ. π. 5 d = (,36. β. G ),333 d = (,3. β. G ),333 d = (,3. β. G ),333 platí pro v = 5. d platí pro v = 6. d platí pro v = 8. d Graficky jsou tyto závislosti znázorněné na obr.č. 7a, b, c pro β = 1%, %, 3% a 4%. Volba D je totožná s výše uvedeným postupem (D = 4. + d ). Pokud výška nálitku přesahuje výšku rámu je nutné volit větší počet nálitku, tedy rozdělit odlitek na jednotlivé sekce, které nálitek bude napájet. Velikost nálitku počítáme zvlášť pro každou sekci, přičemž určení spodního průměru D zůstává stejné. álitek by měl být volen jako průtočný aby byla zajištěna nejvyšší teplota kovu v nálitku. 4. ZÁVĚR Považujeme za úplné zmínit se o nálitkování bílé a červíkovité litiny. Pokud se týká bílé litiny, udává se v literatuře hodnota β = 6%. Jelikož při tuhnutí této litiny dochází pouze ke smršťování, protože uhlík se nachází ve formě Fe 3 C, je možné vycházet při určení velikosti nálitku ze vztahu / = 1 tj. podíl smršťování z celkové doby tuhnutí rovná se 1%. Hodnotu koeficientu nehospodárnosti x volíme k hodnotám blížícím se oceli. V případě vermikulární litiny, u které vzniká domněnka, že není nutné nálitkování, pak nelze zcela toto s určitostí tvrdit, neboť zatím nebyly v odborné literatuře publikovány hodnoty objemového smrštění β. Platí pro tuto litinu stejné zásady nálitkování, které platí pro litinu s kuličkovým grafitem, výše uvedené, tzn. G,, β, a případný podíl smrštění k celkové době tuhnutí. rovněž platí zásady, že lze tuto litinu odlévat beználitkově, ovšem opět za určitých podmínek [11].

13 Pravidla nálitkování či nenálitkování litinových odlitků jsou limitována: a) tavícím agregátem b) vsázkou pro tavení, především podílem ocelového odpadu ve vsázce c) formovacím materiálem d) konstrukcí vtokové soustavy e) konstrukcí odlitku Tyto skupiny v sobě zahrnují další od nich odvozené podmínky pro hospodárné nálitkování podmiňující kvalitu odlitku Průměr nutné napájecí části nálitku d v cm 1 5 v = 5. d 4% 3% % 1% Průměr nutné napájecí části nálitku d v cm 1 5 v = 6. d 4% 3% % 1% hmotnost odlitku G v kg hmotnost odlitku G v kg 15 Průměr nutné napájecí části nálitku d v cm 1 5 v = 8. d 4% 3% % 1% hmotnost odlitku G v kg obr. č. 7 a, b, c Stanovení d nálitku tvaru kužele dle hmotnosti odlitku

14 Literatura [1] Taschenbuch der Giesserei Praxis 1996, Schiele & Schön, Berlín [] WITTSER A.; KRALL A. H.: Giesserei 1956, Heft 16,s. 49/418, [3] VDRÁK,V.: Habilitační práce, strava 1991 [4] Slévárenství č. 4, 199 [5] VDRÁK, V.; PAVELKVÁ, A.: etalurgie litin vtokové soustavy a nálitkování, skriptum VŠB TU strava 1999 [6] HLZÜLLER, A.; KUCHARCZIK, L.: Atlas zur Anschnitt und Speiser Technik für Gusseisen, GVG, Düsseldorf, 1969 [7] PŘIBYL, J.: Tuhnutí a nálitkování odlitků, STL 1954 [8] HUER, R.: Giesserei Praxis 1989, č. 9/1, s. 14 [9] Slévárenství č.5, 1999, s. 95/3 [1] RÖDTER, H.: Giesserei Praxis, 1993, s [11] KARSAY, S. I.: Gusseisen mit Kugelgraphit III., 1981, QIT Fer et Titane Inc. [1] KYCL,H.: Komerční slévárna šedé a tvárné litiny, Turnov, ČR