Vlastislav Otáhal Technicko-ekonomické poradenství

Transkript

1 Litina s kompaktním - vermikulárním (červíkovitým) grafitem Monografie 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

2 úvod Práce je určena slévárenské veřejnosti, metalurgům, konstruktérům strojů a zařízení, studentům vysokých škol a vědeckým pracovištím zabývajícími se studiem a výzkumem kovových materiálů. Prvá pozorování a dokumentace o litině s kompaktním grafitem *(CGI compacted graphite Iron) vznikla a byla popsána v pionýrských pracích při objevu vzniku tvárné litiny se zrnitým grafitem, ke konci čtyřicátých let minulého století, Morrough a Williamsem /1,2,3 /. Výzkumy ukázaly, že v případě určitého, kritického množství ceru a hořčíku je stabilizace dokonale vyvinutého zrnitého grafitu nedostatečná a vzniká přechodná forma kompaktního, nebo vermikulárního grafitu. Obdobně se může tento typ grafitu vyskytovat po částečném odeznění účinku vhodných očkovadel a v silnostěnných průřezech odlitků z tvárné litiny. Tato forma grafitu byla proto původně v litině považována za nevhodnou a označena jako quasilupínkový grafit. Kvůli nižším mechanickým vlastnostem než má litina se zrnitým grafitem (LKG), se litina s kompaktním - vermikulárním grafitem (LVG) považovala za materiál podřadné jakosti, za špatnou tvárnou litinu. Mechanické vlastnosti litiny s kompaktním grafitem (LVG) se pohybují mezi vlastnostmi LKG a litiny s lupínkovým grafitem (LLG). Při hledání materiálu, který by kombinoval vynikající pevnost a tažnost tvárné litiny s vynikající obrobitelností a tepelnou vodivostí litiny s lupínkovým grafitem, tedy šedé litiny, byla vlastně objevena litina s kompaktním grafitem, která tuto mezeru zaplnila. První zmínky o specifickém uplatnění litiny s vermikulárním grafitem v roce 1955 zveřejnil Estes a Schneidewind /4/ a později pak v roce 1965 Schelleng /5,6/. Ve shodě s Donoho /7/, Schelleng volil termín vermikulární grafit, aby precizoval rozdíl mezi zrnitým, kompaktním a vermikulárním grafitem. Přestože byly již ve shora uvedených pracích prokázány některé příznivé a přednostní vlastnosti litiny s kompaktním grafitem, nebylo doposud v důsledku omezených možností kontroly jejich výroby (zvláště rychlé a přesné stanovení obsahu síry ve výchozí tavenině ) přistoupeno k jejich sériové výrobě. V té době byla litina s kompaktním grafitem vyráběna očkováním směsí kalciumkarbid/oxid hořčíku/kovy vzácných zemin, nebo směsí hořčíku a ceru ve formě mischmetalu s přísadou titanu. Po té probíhá řada prací zabývajících se výrobou a vlastnostmi litiny s kompaktním grafitem, které shrnuli a představili v roce 1982 na 49 MSK v Chicagu spoluautoři Nechtelberger a 2

3 obsah I. Úvod 2 Obsah 4 II. Tuhnutí-krystalizace litiny tuhnutí litiny s kompaktním grafitem III. Výroba litiny s kompaktním grafitem Výroba litiny s kompaktním grafitem přísadou podkritického množství hořčíku (obr.3.1) 3.2. Rozšíření procesního okna vzniku kompaktního grafitu přísadou antiglobularizačních přísad Ti, (Al, Sb, Sn, (N) 3.3 Výroba litiny s kompaktním grafitem přísadou hořčíku s následnou přísadou síry 3.4 Modifikace kombinací hořčíku a kovů vzácných zemin v různém poměru (Mg + KVZ) 3.5 Modifikace komplexními slitinami kovů vzácných zemin v různém poměru 3.6 Kombinované způsoby výroby litiny s kompaktním grafitem 3.7 Kontrola a řízení výrobního procesu litiny s kompaktním grafitem SinterCast proces Řízení procesu SinterCast pro licí pánve Řízení procesu SinterCast pro tlakové odlévací (kanálkové) pece (předpecí) NovaCast proces PQ-CGI Řízení procesu PQ-CGI pro licí pánve Metoda PQ-CGI při Inmold procesu Přístroje měřících systémů 3.8 Metalurgické změny při cíleném vzniku litiny s kompaktním- vermikulárním- grafitem Oxidační a redukční děje ve slitinách Fe-C-Si-O SinterCast metoda-poznámky NovaCast PQ-CGI - poznámky OxyCast metoda - poznámky Srovnání metod Doporučení pro technologii výroby litiny s kompaktním-vermikulárním tvarem grafitu Technologie výroby litiny s kompaktním tvarem grafitu přísadou Mg a S Literatura IV. Klasifikace litin s kompaktním (červíkovitým) grafitem Charakteristika - klasifikace 4.2 Činitelé ovlivňující mechanické vlastnosti Mikrostruktura Složení Vliv síly stěny 4.3 Hodnoty tvrdosti 4.4.Hodnoty pevnosti v tahu Pevnost v tahu a mez kluzu 0,2% Tažnost Modul pružnosti Tlumící schopnost Vliv legujících prvků na základní mechanické vlastnosti Vliv očkování 4.5. Hodnoty pevnosti v tlaku 4.6. Dynamické vlastnosti 4.7. Únavové vlastnosti 4.8 Odolnost proti opotřebení 4.9 Vlastnosti za zvýšených teplot Pevnost a mez kluzu Tečení (creep) 3

4 Růst, oxidace, okujení (opal) Tepelná roztažnost Tepelná únava Odolnost proti tepelným rázům (šokům) Tepelná vodivost Koroze 4.10 Slévárenské vlastnosti Sklon k zákalce Zabíhavost Sklon ke staženinám Obrobitelnost Literatura V. Odlitky z litin s kompaktním-vermikulárním, (červíkovitým) grafitem Rozdíly vlastností vermikulární, šedé a tvárné litiny (konstrukční poznámky) 1.1 Pevnost v tahu R m 1.2 Mez kluzu R p0,2 1.3 Pevnost v tlaku 1.4 Mez únavy 2. Přehled mezinárodních norem a standardů vermikulární litiny 3. Příklady využití litiny s vermikulárním-kompaktním-(červíkovitým) tvarem grafitu (Atlas odlitků) 3.1 Hlavy motorů, bloky válců 3.2 Výfuková potrubí 3.3 Různé odlitky pro silniční a kolejová vozidla, traktory a zemědělské stroje 3.4 Skříně a díly ventilátorů a čerpadel 3.5 Ocelárenské kokily a základny Literatura 106 4

5 II. tuhnutí-krystalizace 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, kterou jsme ve zhuštěné formě a po doplnění některých nejnovějších poznatků uvedli v předcházejících pracích doporučujeme jejich prostudování /11,12,13/. V této práci na ně navážeme a rozšíříme poznatky o tvorbě kompaktního - vermikulárního grafity. 2.1 tuhnutí litiny s kompaktním grafitem Vzhledem k tomu, že metody výroby litiny s kompaktním-vermikulárním grafitem jsou v zásadě totožné s výrobou tvárné litiny především v počátečním stadiu výroby, možno očekávat, že počátek krystalizace a tuhnutí obou typů litin bude zhruba stejný /12,13/. Nicméně obr.2.1 ukazuje, že křivky ochlazování jednotlivých typů grafitu jsou zcela odlišné, jak tvarem prodlevy, hlavně výškou maximem-eutektické teploty, rozsahem rekalescence a přechlazením /15/. Řada autorů sledovala obdobnými způsoby jako u LKG i tuhnutí litiny s kompaktním grafitem a jeho morfologii v samostatných pracech. Po jejich stručném zhodnocení a v návaznosti předložil pak komplexně výsledky svých výzkumů Zhenhua a Weide /14/. Sledovány byly litiny pod i nadeutektické. Primární očkovadla k získání kompaktního grafitu byla na bázi Fe-Si-Mg-RE (RE=prvky vzácných zemim, především Ce). Sekundární očkovadlo 75FeSi. Změna struktury tuhnoucí litiny s kompaktním grafitem byla sledována v časových intervalech na prudce zchlazených (zakalených) vzorcích v průběhu tuhnutí v intervalu eutektické prodlevy. V obr. 2.2 jsou odběry jednotlivých vzorků v časových intervalech vyznačeny na křivce tuhnutí (1 až 6). Obr Křivky chlazení pro jednotlivé typy grafitů jsou navzájem podstatně odlišné /15/ Obr.2.2 Místa odběrů vzorků na křivce chlazení podeutektické litiny s kompaktním grafitem po zakalení /14/; 5

6 Postup růstu kompaktního-(vermikulárního červíkovitého) grafitu během eutektické transformace je u podeutektické litiny znázorněn v obr.2.3 a pro litinu nadeutektickou v obr.2.4. Jak shora uvedeno, vychází z experimentálních prací na vzorcích zakalených postupně z různých teplot daných křivkou ochlazování v oblasti eutektických teplot od cca 1150C po cca 1135C (obr.2.2) /14/. Obr.2.3 Mikrostruktury série vzorků z podeutektické litiny s kompaktním grafitem zakalených během eutektické prodlevy v označených časových intervalech 1 až 6 (100x), /14/; Obr.2.4 Mikrostruktury série vzorků z nadeutektické litiny s kompaktním grafitem zakalených během eutektické prodlevy v označených časových intervalech 1 až 6 (100x), /14/; Schéma růstu kompaktního/vermikulárního grafitu je znázorněno v obr. 2.5, v závislosti na době odběru vzorků, během ochlazování reprezentovaného křivkou ochlazování dané taveniny. Je zřejmé, že grafit primárně tuhne v zrnité - globulární formě (obr.2.5 a) /14,15/. Pravděpodobně vzniká z rozpadlých grafitových globulí nebo jejich shluků a roste určitým směrem v přímém styku s taveninou výstupem do prostředí, kde již není obklopen austenitem a je dále formován především postupem eutektické krystalizace. Kompaktní grafit se vyvíjí jako propojený segment s austenitickou matricí.(obr.2.5 b,c,d). V konečné podobě je struktura s čistě kompaktním/vermikulárním grafitem v obr.2.6 a,b. 6

7 Obr.2.5 Schematický postup vývoje kompaktního grafitu a) malá zrna, b),c) některá zrna mají vybíhající větve (kolony, d) kompaktní + zrnitý grafit, e) kompaktní grafit, /15, 21/; Obr.2.6 a Struktura pouze s s kompaktní formou grafitu -hluboce leptáno, SEM, 560x /15/; Obr.2.6 b Detail kolony kompaktního grafitu - hluboce leptáno, SEM, 2800 x, /15/; Obr.2.5a Primární forma kompaktního grafitu (2 000x); Obr.2.5b Rozpadající se zrno grafitu v částečném styku s taveninou (3 800x); /14/; Obr.2.5c Kompaktní grafit rostoucí v podélném směru osy - A (2 700x); /14/; Obr.2.5d Kompaktní grafit rostoucí ve směru osy-a a současně osy- C, (2 000 x); Model růstu jednotlivých typů grafitu je dle autorů /14/ schematicky znázorněn na obr.2.6. Obr.2.6 Schéma růstu -1 kompaktního grafitu, 2 lupínkového grafitu, 3 zrnitého grafitu /14/; Obr.2.7a Růst kompaktního grafitu ve směry osy A (7500x) /14/; Obr.2.7b Růst kompaktního grafitu ve směry osy C (4000x) /14/; Detailní pohled na růst kompaktního grafitu je v obr.2.7a,b a obr.2.8.1,2,3. Konečný tvar kompaktního grafitu je ovlivněn komparativní rychlostí růstu mezi grafitem a austenitem. Obr.2.8 Tvary růstu konců kompaktního grafitu - 1 konkávní (2700x), 2 rovinný (4000x), 3 konvexní (2500x), /14/; 7

8 Kompaktní tvar grafitu počne vznikat překročí-li v litině množství hořčíku cca 0,005 %. Se vzrůstem Mg pokračuje tvorba kompaktního grafitu až do množství cca 0,012% Mg, kdy začne vznikat zrnitá forma grafitu. Množství zrnitého grafitu roste ve shodě s úbytkem kompaktní formy grafitu. Při množství cca 0,03% Mg krystalizuje veškerý uhlík v zrnité formě. Získat veškerý grafit v kompaktní, červíkové formě je proto velmi obtížné, neboť procesní okno tedy kritický obsah Mg k jeho vzniku, je velmi úzké. Pro průmyslové využití se udává přijatelné množství kompaktního grafitu v rozmezí 70 až 90%. Doporučuje se maximum 90% kompaktního a cca10% zrnitého grafitu aby byla jistota, že nevznikne zbytkový lupínkový grafit. Kontrola při výrobě litiny s kompaktním grafitem je směrována na nejtlustší průřez (modul) odlitku. Kritický obsah Mg se musí pohybovat v rozmezí přesnosti +/- 0,0015%. Krystalizace grafitu v tavenině není sledována pouze podle obsahu Mg, ale i obsahu kyslíku a dusíku, oxidů a silicidů. Oblasti výskytu různých forem grafitu v závislosti na zbytkovém obsahu hořčíku jsou patrny z diagramu v obr.3.1. Obr.3.1 Vliv obsahu zbytkového hořčíku v litinové tavenině na tvar vyloučeného grafitu /20/; Z diagramu je patrné velmi úzké procesní okno vzniku kompaktního grafitu ve srovnání s ostatními typy (lupínkového a zrnitého) grafitu.. (Procesní okno kritický obsah Mg je zde vyznačen oblastí CGI). Při zbytkovém obsahu cca 0,005% Mg se počne vylučovat kompaktní grafit na úkor grafitu lupínkového. Při zbytkovém obsahu cca 0,0085% Mg činí podíl kompaktního a lupínkového 50/50%. Od této hodnoty roste podíl kompaktního grafitu až do obsahu cca 0,0095 %Mg, kdy již vymizí veškerý lupínkový grafit..od obsahu cca 0,012% se počnou vylučovat první zrna grafitu, kterých s růstem Mg přibývá na úkor kompaktního grafitu. Při zbytkovém obsahu 0,03% Mg se již vylučuje veškerý grafit v zrnité formě. Typy jednotlivých struktur jsou pro rozmezí zbytkového obsahu hořčíku v litinové tavenině v rozsahu 0,008 až do 0,028 % v obr.3.2 a až f. V obr.3.2a je struktura litiny se zbytkovým obsahem cca 0,008% Mg s místně přechlazeným lupínkovým grafitem, který přechází v kompaktní grafit s ojedinělým výskytem (do cca 3%) zrn grafitu. V obr.3.2f je struktura se zbytkovým obsahem cca 0,028% Mg, 80 až 90 % zrnitého grafitu a max. 10 kompaktního grafitu. Optimální obsah zbytkového hořčíku pro kvalitní litinu s kompaktním grafitem činí 0,009 až 0,012%. 8

9 3% 5% 15% 30% 50% 85% Obr.3. 2 a až f - Vliv obsahu zbytkového hořčíku v litinové tavenině na tvar a množství vyloučeného grafitu - přechod mezi lupínkovou - kompaktní a zrnitou formou grafitu až 90 % zrnitého grafitu /24/; K přesnějšímu popisu a identifikaci struktury vzorků litin s kompaktním grafitu jsou navrhovány etalony, jak je na příklad patrno z obr.3.3 a až d. Obr.3.3 Etalony (typy struktur) pro popis vzorků z litiny s kompaktním / vermikulárním grafitem /26/; Mimo shora popsaný klasický způsob výroby litiny s kompaktním tvarem grafitu se vyvíjely další možné způsoby, které měly umožnit spolehlivější postupy k získání kompaktního grafitu. Především je to kombinace modifikace globularizačními a antiglobularizačními rušivými prvky, čímž je prakticky rozšířeno procesní okno tvorby kompaktního grafitu. Je to především Ti, případně Sb, Al, Sn apod. Dále je to uplatnění denodularizačního účinku v kombinaci Mg s následnou přísadou S. Byla též vyvinuta řada přísad na bázi kovů vzácných zemin (KVZ), především Ce a lantaoidů (Ce+KVZ), případně kombinací s Mg (Mg+KVZ). Byl též sledován vliv N a Bi na tvorbu kompaktního grafitu. 9

10 III. Výroba litiny s kompaktním grafitem Různé způsoby výroby litiny s kompaktním grafitem byly podrobně popsány a rozebrány při panelové diskusi na 106 AFS kongresu v roce 2002 v USA Riposanem, Chisamerou, Skalandem, Butonem, Bollenem, Dawsonem, Knuckeyem, Kelleym a Sillenem /36/. Z toho možno shrnout, že se doposud v podstatě ujaly následující metody výroby litiny s kompaktním/vermikulárním typem grafitu. Jsou to: 1. modifikace přísadou hořčíku s menším, podkritickým množstvím, než-li je nutné pro vznik zrnitého, globulárního tvaru grafitu, 2. modifikace kombinací prvků s globularizačním a antiglobularizačním účinkem většinou kombinace Mg + Ti, (ale i další - Sb, Al, Sn) které rozšiřují procesní okno vzniku kompaktního grafitu, 3. modifikace hořčíkem, klasickým způsobem dle ad.1, s mírným přebytkem Mg, s následnou přísadou síry, ve formě modifikátoru typu FeS, ke korekci složení taveniny pro získání kompaktního grafitu, 4. modifikace kombinací hořčíku a kovů vzácných zemin v různém poměru (Mg + KVZ); 5. modifikace komplexními neseparovanými slitinami vzácných kovů (KVZ) lanthanoidy v poměru cca 50% Ce, 20% La, zbytek ostatní lanthanoidy (Ce + KVZ), Vlastní technologie výroby je buďto v tomo základním pojetí, nebo v jejich vhodné kombinaci. Všechny tyto výrobní metody, mají-li zajistit výrobu litiny s dokonale vyvinutým kompaktním grafitem bez přítomnosti, neb s maximálním obsahem do cca10% jiné formy grafitu (zrnitý, přechodový, lupínkový), vyžadují důslednou kontrolu chemického složení, případně obsahu oxidů ve všech stádiích výroby Rozšíření procesního okna vzniku kompaktního grafitu přísadou antiglobularizačních přísad Ti, (Al, Sb, Sn, (N))) Použití antisferoidizačních antiglobularizačních prvků k řízenému vývoji tvaru grafitu zrnitý-vermikulární je již delší dobu všeobecně znám. Je to hlavně Ti, ale též Al, Sb, Sn, Bi případně N, atd. Především se však pro svou účinnost ujal Ti./68-71/. 10

11 Titan Titan je ve velmi malém množství přítomen prakticky ve všech litinách, neboť je přítomen ve většině surových želez a v některých ocelích. Jeho účinky se projevují v závislosti na tloušťce stěn odlitků. U tenkostěnných odlitků se může tolerovat až do obsahu 0,07%. Při obsahu 0,02% a výše, hlavně u tlustostěnných odlitků může mít na tvar grafitu destrukční účinek. Všeobecně se doporučuje, aby jeho obsah v tvárných litinách nepřekročil 0,035%. Titan paralyzuje účinek hořčíku na růst zrnitého grafitu a přispívá tím k vylučování kompaktního-vermikulárního grafitu. Právě vyvážený obsah hořčíku a titanu je jedna z metod výroby litiny s kompaktním grafitem. Při tomto způsobu výroby je tavenina zpracovávána podobně, jako při výrobě tvárné litiny přísadou Mg tak, aby jeho zbytkové množství v tavenině činilo min. 0,035 % (0,035-0,15%). Titan se přisazuje buďto samostatně ve formě FeTi, nebo jako součást předslitiny FeSiMg. Zbytkový obsah Ti v tavenině má být v rozmezí 0,08 až 0,15%. Přestože je výroba litiny s kompaktním grafitem tímto způsobem celkem spolehlivá, má řadu nevýhod: výroba je nákladná v důsledku vyšší ceny slitin titanu, velmi zhoršená obrobitelnost v důsledku přítomnosti karbidů titanu vratný materiál se stále obohacuje titanem, případně i jinými prvky nebezpečí zvýšené zmetkovitosti odlitků, jako nevyhovující struktura obsahující přechodové typy grafitu (D), karbidy, staženiny a pod Naopak je možno použít u součástí vyžadujících zvýšenou odolnost proti opotřebení, což splňuje přítomnost karbidů titanu (obr. 3.5a,b ). Ostatní z uvedených prvků (Al, Sb, Sn a Bi) se prakticky samostatně, obdobným způsobem jako titan nepoužívají. Platí pro ně, ve srovnání s titanem, ještě řada dalších nevýhod a omezení.. Některé však mohou být ve stopových množstvích, s přesně cílených důvodů, součástí komplexních předslitin některých výrobců. Obr.3.5a Karbidy titanu a sulfidy (SEM) /30/; Obr.3.5b Karbidy titanu /31/; Komerční předslitiny obsahují mimo Mg a Ce též cca 8,5-10,5% Ti, 4,0 5,5% Ca, 1,0 1,5% Al a to podle dalších požadavků na výsledné vlastnosti litiny s kompaktním grafitem. 11

12 V obr.3.12a,b je struktura litiny zpracované přísadou Mg5FeSi + 1% KVZ v množství 0,35% v síle stěny odlitku 5 a 35 mm, ve srovnání se strukturou zpracovanou tímtéž množství předslitiny CoMag v obr.3.13a,b. Je patrno, že se v prvním případě, při zpracování taveniny s předslitinou Mg5FeSi + 1% KVZ, v síle stěny odlitku 35 mm již vyskytují přechodové typy grafitu (obr.3.12b), zatímco je ve druhém případě struktura s plně vyvinutým kompaktním grafitem (obr.3.13b) /24/. Doporučené složení výchozí taveniny pro zpracování litiny s kompaktním grafitem: % C , % Si , % S 0,007 - max Obsah ostatních prvků je méně důležitý, ale neměly by se příliš odlišovat od složení volené u tvárné litiny. Po zpracování by měla mít výsledná litina s kompaktním grafitem složení v následujícím rozmezí: % C , % Si , % S , % Mg , % Ce Obsah Mg a Ce se má udržovat pokud možno na stejné úrovni, obsah C a Si co nejníže. Se vzrůstajícím obsahem Si je tendence ke sbalování grafitu do zrn a degradace kompaktního grafitu. Výhodou zpracování taveniny kombinací Mg+KVZ k získání litiny s kompaktním tvarem grafitu je: Širší procesní okno a větší flexibilita výroby k získání kompaktního grafitu Nižší reaktivita a tím i klidnější reakce v pánvi, V některých případech odpadá, nebo se redukuje sekundární očkování (postinokulace), Nižší zbytkový obsah Mg a KVZ a tím i nižší sklon k zákalkám, Výchozí tavenina může obsahovat vyšší úroveň obsahu síry, Menší vývoj strusky, Odpadá kontaminace vratného materiálu titanem, Prodloužen odeznívací účinek (fade time) zpracování Při použití FeSi, jako krycího materiálu předslitiny, odpadá sekundární očkování 3.5 Modifikace komplexními slitinami kovů vzácných zemin v různém poměru ; Nejobvyklejší jsou předslitiny s vysokým obsahem separovaného ceru a přísadou neseparovaných KVZ. Celkově pak může předslitina obsahovat až cca 90% KVZ. Rozšířená je předslitina typu Si-KVZ s 30 až 35% KVZ /44/. Dále jsou doporučovány kombinace cca 50% Ce, 20% La, zbytek ostatní lanthanoidy.. Vsázka i tavenina má obdobné složení, jako pro tvárnou litinu, obsah síry pod 0,02%. Metody kontroly výroby musí být velmi precizní (Kap.3.7).. Tab.III.II. Doporučené množství předslitiny Ce-KVZ dle obsahu S v tavenině/44/ %S 0,003 0,008 0,012 0,033 0,076 %Ce - KVZ 0,05 0,10 0,10 0,025 0,65 Množství modifikační předslitiny typu Si-Ce-KVZ v závislosti na obsahu S v tavenině je v Tab.3.II. Dávkování předslitiny se uskutečňuje v průběhu odpichu do licí pánve a to obdobnými způsoby, jako při metodách sekundárního očkování. Tyto předslitiny se v tavenině poměrně klidně rozpouští, bez velkých pyroefektů (bod tavení cca 790 až C) a nadměrného dýmu. Odeznívací účinek se projevuje po cca 10 až 12 minutách. Podstatnou nevýhodou je poměrně vysoká cena předslitin. 12

13 Jiný typ předslitiny na bázi Si-Ce-KVZ (50%Ce) se použije v kombinaci s Ca ve formě CaSi (35%Ca). Předslitina je vhodná pro zpracování taveniny s vyšším obsahem síry až do cca 0,10%S /45/. Nejprve se dávkuje předslitina Ce-KVZ (50%Ce) a poté CaSi. Následuje sekundární očkování. Množství přísady závisí na obsahu S v tavenině. Při nízkém obsahu S do cca 0,02% činí přísada Ce 0,06% a přísada Ca cca 0,5%. Při obsahu cca 0,1%S činí přísada Ce cca 0,1% a přísada Ca cca 0,8%. Vlastnosti výsledné litiny s kompaktním grafitem jsou ovlivněny vyšším výskytem.sulfidických částic typu Ce-Ca (S). viz následující odstavec u předslitiny Mg-Ce-Al-Ca. 3.6 Kombinované způsoby výroby litiny s kompaktním grafitem General Motors vyvinul v USA metodu výroby litiny s kompaktním grafitem očkováním šedé litiny tavené v kuplovně. Tavenina obsahuje vyšší obsah S -0,07 až 0,13%. /44/. Použitá předslitina je založena na bázi Mg-Ce-Al-Ca.Množství předslitiny k výrobě litiny s kompaktním grafitem je poměrně vysoké, cca 1,5 až 2%, v závislosti na obsahu síry ve zpracovávané tavenině. Teplota zpracování musí být poměrně vysoká 1475 až C. V některých případech, u nelegovaných litin může odpadnout sekundární očkování. Se stoupajícím obsahem síry ve zpracovávané tavenině roste počet dispersních sulfidů Mg, Ca, Ce a ty pak působí jako grafitizační zárodky a snižují tím přechlazení taveniny a tím i sklon ke vzniku karbidů a zákalek. Na druhé straně velké množství sulfidů způsobuje výskyt struskovitosti, šumu (dross). Specificky lehčí sulfidy CaS a MgS (2,5-2,85 g/cm3) mohou vyplout na hladinu taveniny již během přelévání a odlévání, těžší CeS (5,00g/cm3) zůstávají v tavenině a tím i v odlitku po ztuhnutí jako vnitřní vměstky. 3.7 Kontrola a řízení výrobního procesu litiny s kompaktním grafitem Jak uvedeno, vznik litiny s kompaktním grafitem je spojen s velmi omezenými podmínkami danými poměrně úzkým procesním oknem tvorby kompaktního grafitu (obr.3.1). Kontrola stavu taveniny je proto spojena nejen s vlastním chemickým složením (především obsahem S, Mg, Ce ), ale zvláště důležité jsou metalurgické podmínky, stav taveniny-podmínky tvorby zárodků-nukleace, obsah kyslíku, dusíku, aktivní ekvivalent uhlíku apod. Za účelem zajištění těchto kontrol, ale i zdokonalení výrobních postupů litiny s kompaktním grafitem byly postupně a to ve spojení jak s výrobci litin, taktéž výrobci přístrojové techniky, vyvinuty systémy SinterCast, NovaCast, případně OxiCast a jejich kombinace SinterCast proces /46, / Bere v úvahu, že nukleační účinky hořčíku doznívají rychlostí cca 0,001%/min. Počáteční, startovací bod vzniku šedé litiny musí být v dostatečné vzdálenosti od náhlého přechodu kompaktního v lupínkový grafit, aby vznikl určitý nárazník ještě před koncem odlévání.tato doba odeznívacího účinku Mg, tj. od okamžiku přísady Mg do taveniny, činí cca 15 minut. Při tom současně nesmí být tento počáteční startovací bod vzniku kompaktního grafitu příliš blízko ke vzniku zrnitého grafitu, aby byl minimalizován vznik zrnitého grafitu. V případě vysokého obsahu aktivního kyslíku, nebo síry, které spotřebují aktivní hořčík, posune se procesní okno vzniku kompaktního grafitu doprava, k potřebě celkově vyššího obsahu Mg. Naopak, je-li obsah kyslíku a síry relativně nízký, posouvá se procesní okno tvorby 13

14 Obr.3.16 a,b a) Ponorný přípravek zajišťující ochranu vzorku proti oxidaci, b) tepelně- konvenční proudění /46/; Za účelem simulace odeznívacího účinku hořčíku v tavenině během odlévacího procesu (pánev odlitek), jsou vnitřní stěny kelímku pokryty reaktivním materiálem, který konzumuje váže Mg. Vířící tavenina v kelímku omývá stěny kelímku, reaguje s reaktivní látkou a takto ochuzená tavenina o Mg se akumuluje.ve spodních statických (klidných-nevířivých) oblastech vzorku (tmavší oblast). V nejjednodušším případě centrální termočlánek monitoruje nezreagovanou taveninu a takto určí počáteční stav licího procesu, zatímco termočlánek umístěný ve spodní části vzorku monitoruje konec tuhnutí a predikuje výsledný stav v odlitku. Obr.3.17 a) Řez vzorkem SinterCast a mikrostruktury b) - ve střední (nejteplejší oblasti) a c)-v mezivrstvě mezi oblastmi /46/; Vyleštěný řez ztuhlým vzorkem ze zkoušky SinterCast v obr.3.17a ukazuje jednotlivé oblasti vzniklé nestejnou rychlostí ochlazování a dobou tuhnutí v důsledku víření taveniny ve vzorku. Zde, světlejší oblasti představují dříve ztuhlou litinu v důsledku klidného-nevířivého stavu 14

15 taveniny, tmavší oblast je později ztuhlá litina ve které byl stav taveniny před ztuhnutím neklidný, vířivý. Středem vzorku vede trubice v niž jsou umístěny termočlánky. Vpravo, v obr b, c jsou odpovídající struktury vyznačených oblasti kroužky. Ztráta 0,003 % aktivního Mg v oblastech separovaných vířením taveniny vedla k tvorbě přechlazeného lupínkového grafitu typu-d a v důsledku kratších difúzních vzdáleností k feritické matrici. Tento přechod je dobře patrný na mikrosnímku v obr.3.17 c. Rozsah oblasti s vyloučeným lupínkovým grafitem ve spodní části vzorku (zde světlá oblast) je přímo úměrný počátečnímu obsahu hořčíku ve střední, vířivé oblasti vzorku (zde tmavší oblast) a může být zjištěna odečtem z křivky chladnutí ze spodního termočlánku jako doba souhrnné uvolněné teplo před minimem eutektického přechlazení. Tento r- kvadratický korelační koeficient, pro poměr mezi vypočteným uvolněným teplem a velikostí oblast s lupínkovým grafitem, přesahuje hodnotu 0,9. Tento náhled do skutečného a simulovaného chování taveniny po doznívacím účinku dovoluje korekci obsahu hořčíku před vlastním odléváním. Citlivost litiny s kompaktním tvarem grafitu k obsahu Mg a sekundárních očkovadel, naproti citlivosti litiny s lupínkovým a zrnitým grafitem brání slévárnám přijmout tradiční filozofii na předávkování taveniny těmito přísadami. Jak patrno z obr.3.18 citlivost litiny s kompaktním grafitem k Mg a sekundárním očkovadlům je stabilní pouze v úzkém procesním okně a ne jako u šedé a tvárné litiny ve velmi širokém intervalu. Z toho důvodu vyžaduje výroba litiny s kompaktním grafitem velkou pozornost a kontrolu během celého výrobního procesu.. Obr.3.18 Citlivost litiny s kompaktním grafitem k obsahu hořčíku a sekundárním očkovadlům (vyznačeno je procesní okno kompaktního grafitu) /46/; Proměnné veličiny během celého výrobního procesu můžeme shrnout: složení vsázky tavící teplota teplota v tavícím agregátu prodleva v tavící peci (odstátí v peci) předehřev pánve doba odpichu periody v odpichu způsob legování do proudu na legůru-předslitinu hmotnost (váha-množství) odpichu stav legůr (předslitin) skutečný obsah Mg v předslitině FeSiMg metoda očkování tundisch-sandwich - jiné druh a kusovitost krycího materiálu (třísky drť apod.) a řada dalších; 15

16 Řízení procesu SinterCast pro licí pánve Jak patrno z obr.3.19a,b začíná kontrolní proces termální analýzou na vzorcích odebraných z taveniny (obr.3.16a,b a 3.17a,b), předběžně zpracované hořčíkem a naočkované grafitizačním očkovadlem dle standardních předpisů pro výrobu litiny s kompaktním tvarem grafitu. Na základě zjištěného stavu taveniny termickou analýzou, je dán automaticky pokyn zařízení korigujícího obsah Mg a očkovadla pracujícího metodou ponorného profilu (drátu), stanovením potřebného množství Mg a očkovadla (t.j dle průměru profilu, rychlost ponoru profilu do taveniny a dobu ponoru). Po provedené korekci je pánev s taveninou ihned transportována k odlévání. Celý proces měření a plnění profilu netrvá déle než-li 3 min. To umožňuje zařazení přímo do výrobní linky. Obr.3.19a Schéma řízení procesu metodou SinterCast při výrobě vermikulární litiny /47/; Ihned po ztuhnutí vzorku (obr.3.17) jsou zaznamenané křivku chladnutí analyzovány a výsledky jsou reprodukovány ve formě tzv.indexů (koeficientů) hořčíku a očkovadla. S ohledem na procesní okno tvorby kompaktního grafitu, které je vyznačeno v šachovnici na obr.3.18 jsou tyto dvě hodnoty zcela dostačující k plné definici způsobu tuhnutí a predikci vzniklé mikrostruktury základní zpracované taveniny NovaCast proces PQ-CGI /48/ NovaCast a Elkem vyvinuly kontrolní systém pro výrobu litiny s kompaktním (vermikulárním, červíkovitým) grafitem pod zkratkou PQ-CGI (Prime Quality Compacted Graphite Iron) který pro kontrolu procesu využívá kvantitativní termickou i chemickou analýzu pro základní litinu, v kombinaci s dávkováním speciální přísady vyvinuté pro výrobu kompaktní litiny. Na základě analýzy, která zahrnuje i celkový obsah kyslíku, počítačový systém urči základní parametry úpravy tak, aby výchozí tavenina dosáhla svým složením oblast procesního okna kompaktní litiny. Předpis úpravy (přísady a množství) se stanovuje pro jednotlivé typy odlitků samostatně.(zajišťuje se sérií zkoušek a úpravou předpisů složení). Toto je tak zvaný jednostupňový proces. PQ-CGI zahrnuje též systém kontroly ověření konečného složení litiny (dvoustupňová kontrola). 16

17 Metoda PQ-CGI při Inmold procesu Metoda Inmold (metoda výroby tvárné litiny přímo ve slévárenské formě) je známa. U této metody se modifikátor (většinou slitina FeSiMg s 3-5% Mg) vkládá do reakční komory zařazené do vtokové soustavy přímo ve formě. Protékající proud taveniny se v reakční komoře stýká s modifikátorem a vzniklá tvárná litina proudí přímo do formy. Všechny parametry tohoto procesu, to jest teplota a licí rychlost taveniny, geometrie reakční komory, vtoková soustava, množství a tvar modifikátoru, musí být předem určeny a vypočteny a během výroby odlitků přísně dodržovány /viz 12,13/. Obdobně můžeme tuto metodu využít při výrobě litiny s kompaktním grafitem (obr.3.5). Vzhledem k velmi krátké době dané licí dobou, je zde procesní okno pro zajištění kompaktního grafitu velmi zúžené. PQ-CGI Inmold proces používá nový typ konstrukce licí soustavy a reakční komory (patentováno), které zajišťují mnohem přísnější kriteria potřebná pro zachycení správné struktury litiny s kompaktním grafitem. Základní litinová tavenina musí být před odléváním upravena s ohledem na konsistentní nukleační vlastnosti pro precipitaci kompaktního grafitu. Procesy PQ-CGI jsou založeny na pečlivých metalurgických úpravách základní litinové taveniny. Úpravy využívají dokonalé systémy termálních analýz, které monitorují úroveň celkového kyslíku (informace o vázaném kyslíku nejsou dostatečné) a další relevantní termodynamické vlastnosti. Příslušný PQ-CGI software je založen na expertním systému, který analyzuje získaní souborná data a chemické složení tavenin. Z nich jsou pak získány (vypočteny) podklady pro příslušnou korekci a dávkování litinové tavení tak, aby bylo zajištěno její potřebné složení k získání výsledné struktury s kompaktním grafitem. Potřebné specifikace (etalonové složení) pro jednotlivé typy odlitků je získáno předběžnou kalibrací a jejich uložením v databázi. PQ-CGI systém produkuje tedy prakticky předpis pro úpravu základní litinové taveniny. Tento předpis může být použit pro jednotlivé šarže až po vyprázdnění tavícího agregátu (pece) a jeho opětné naplnění. Obvykle je postačující odběr a rozbor jednoho vzorku pro každou novou tavbu, nebo každou hodinu v plynule pracujících tavících agregátech (udržovacích pecích). Jakmile je základní litina připravena k použití, odlévá se bezprostředně přímo do reakční komory umístěné ve vršku formy. Odlévání může probíhat automaticky, V reakční komoře odpovídá množství nukleační hořčíkové slitiny 0,3 až 0,5% hmotnosti odlitku. Vtoková soustava zahrnuje průtočný a tlakový regulátor a filtr, zajišťující adsorpci hořčíkové nukleační slitiny. Obr.3.22a ukazuje část formy s reakční komorou s uloženou hořčíkovou nukleační slitinou. Maximální hmotnost odlitku odlévaného metodou Inmold je 500 kg. Obr.3.22a Část formy s reakční komorou a modifikátorem Obr.3.22b - Odlévání PQ-CGI InMold viditelné reakce 17

18 Litina zpracovaná hořčíkem Křemík jako dezoxidátor, může v litině snížit obsah kyslíku až na hodnotu pod 3x10-3 %. Hořčík je v tomto směru podstatně úspěšnější v desoxidaci a to až na hodnotu kyslíku 5x10-8 %. Spektrální analýzou oxidů možno zjistit v litině se zrnitým grafitem (LKG) obsah zbytkového kyslíku v rozmezí 5 ppm až 15 ppm. Skaland /56/ identifikoval u litiny se zrnitým grafitem (LKG), jako základní stavební kameny tvorby grafitových zárodků forsterit ((2MgO. SiO 2 ) a nebo enstatit (MgO. SiO 2 ). Vycházel při tom z terciálního diagramu systému MgO - SiO 2 Al 2 O 3. Obr.3.29 Terciární diagram oxidů MgO - FeO SiO2 / 57/; Doposud se pro GJV -litinu s vermikulárním grafitem ukazoval vhodný systém MgO - SiO 2 FeO. (obr.3.29). Pro litinu s lupínkovým grafitem GJL - LLG se ukázal vhodným binární diagram FeO - SiO 2 a binární pro litiny se zrnitým grafitem GJS - LKG diagram MgO-SiO 2..Pracovní pole pro tvorbu zárodků v litině s vermikulárním grafitem GJV leží v oblasti olivinu mezi 20% a 40% SiO 2, 15 až 40% MgO a 20% do 45% FeO, (k tomu možný podíl z hraničních oblastí - magnesiumwüstitu, pyroxenu a tridymitu jako dezoxidačních produktů). 18

19 Obr Typické oxidické spektrum litiny GJV s vermikulárním grafitem /57/; Obr Z hodnoty rekalescence a relativního přechlazení možno dedukovat tvar krystalizujícího grafitu / 58/; > Typické oxidické spektrum je vyznačeno v obr Při nízkém obsahu Mg se primárně tvoří Tridymit a ve struktuře je možno nalézt i lupínkový grafit. Pík pro FeO je ve srovnání s SiO 2 nepatrně nižší. Při vysokém obsahu Mg vzniká primární magnesiumwüstit a poté eutektický forsterit Oxidické spektrum ze zkušebních vzorků z litiny s vermikulárním grafitem GJV, odebraných bezprostředně po zpracování taveniny a počátkem odlévání a následně z odlitků, se spektrum liší především co do množství a rozdělení (rozložení) jednotlivých složek, ne však formou vazby. Z měnících se podílů skupiny oxidů (FeO+SiO 2 ) (tyto se mohou nalézat také náhodně, izolovaně) - a (Mg,Fe) 2 [SiO 4 ] zjištěných spektrální analyzou ze vzorků odebraných z licích pánví můžeme vyvodit, že pokud se týče první skupiny to jest fayalitu ( FeO.SiO 2 ), a druhé skupiny olivinu (Mg,Fe) 2 [SiO 4 ] jako oddělených jednotlivých fází, probíhá redukce selektivně z FeO a SiO 2. V odlitku samotném pak může fayalit a olivin zcela homogenizovat.. SinterCast metoda-poznámky Jak uvedeno, je podstatou SinterCast metody termoanalýza okrajové a středové oblasti vzorku, sledováním křivek chladnutí a hodnot přechlazení, rekalescence, rychlosti růstu teplot a chladnutí po ztuhnutí okrajové vrstvy vzorku. Hodnoty jsou sledovány samostatně ale i ve vzájemné vazbě. Při tom je podmínkou maximální rychlost celého kontrolního procesu, který nesmí přesahovat manipulační dobu od odběru vzorku z taveniny až po vlastní odlévání. Výsledkem je prognóza stavu zárodků ve zpracované tavenině a forma grafitu v tuhnoucím vzorku (tj. přeneseně v konečném odlitku) za účelem následné korekce výchozí taveniny. V obr.3.31 jsou jako příklad uvedeny křivky chlazení s vyznačenými sledovanými hodnotami. Detail křivek v oblasti eutektických teplot pro litinu s lupínkovým, vermikulárním a zrnitým grafitem je v obr.2.1. Křivka chlazení I představuje průběh ochlazování v okrajové zóně vzorku.,odpovídající chladnutí v tenké stěně odlitku. Křivka chladnutí II je ochlazování ve středu vzorku. Okrajová křivka I referuje především o stavu zárodků v tavenině. Její zvláště důležitou hodnotou je spodní eutektická teplota T EU a průběh následné rekalescence dt/dt na horní eutektické teplotě T EO. Průběh rekalescence je ale funkcí morfologie grafitu a počtu zárodků, proto křivka I může poskytovat jen částečný obraz s těžištěm na stav zárodků. Celkový obraz doplňuje křivka ochlazování II jejíž hlavní výpověď postihuje tvar grafitu. Okrajová křivka I může při tom doplnit a precizovat údaje, jestliže se ochlazovací rychlost dt/dt po ukončeném 19

20 okrajovém tuhnutí během eutektického tuhnutí centrální křivky chlazení II vztáhne na její vyhodnocení. Maximální teplotní rozdíl T mezi křivkami I a II během této fáze jest též důležitý. Obr.3.31 Křivky chlazení vzorku metodou SinterCast a jejich hodnocení / 59 /; Experimentálně je potvrzeno, že při malém přechlazení, menší rekalescenci a vyšším růstem teploty, je předpoklad vzniku lupínkového grafitu. Při silném přechlazení, menší rekalescenci a nižším růstem teploty je vznik zrnitého grafitu. Předpokladem vermikulárního grafitu jsou silně vyhraněny všechny tři hodnoty,.to jest velké přechlazení, silná rekalescence a relativně silný růst teploty (viz obr.2.1) Ze získaných hodnot z křivek chladnutí, které jsou tak výrazné, není pak obtížné odvodit základní parametry pro úpravu taveniny pro její umístění do procesního okna vermikulárního grafitu (obr šachovnice). Vliv rekalescence a relativního přechlazení na tvar grafitu udává diagram v obr Litina s převážným obsahem (nad 80%) vermikulárního grafitu vzniká při přechlazení T cca 15 0 C a rekalescenci nad dt/dt cca 35 0 C/min. Přirozeně, přirovnáním malých vzorků tuhnoucích v rozmezí 3 až 4 min. zjišťujeme jen subjektivní hodnoty jejichž cílem je např. zjištění podílu vermikulárního grafitu v odlitku při rozdílných teplotách a rychlostech ochlazování v různě silných stěnách..proto je nejdůležitější fází přípravy předběžná kalibrace na zkušebních odlitcích. Čím pečlivější je tato příprava, tím přesnější jsou konečné výsledky. Následná termoanalýza během normálního výrobního cyklu slouží pouze k menším korekcím při následném zpracování výchozí taveniny. 20

21 NovaCast PQ-CGI - poznámky I zde se vychází ze základní, hořčíkem nezpracované litiny. Podkladem je termoanalytické zjištění množství a způsob vazby kyslíku v základní tavenině, kterým je určen licí proces.. Jedná se o stanovení obsahu a vazby kyslíku ( analýza spektra oxidů a aktivita kyslíku.). Analýza spektra oxidů dává množství a způsob vazby kyslíku v tuhnoucím vzorku a popis procházejících dějů.. Odlévají se dva zkušební vzorky ve dvou pískových kelímcích. Tavenina v jednom zůstává nezpracována, ve druhém kelímku je tavenina dezoxidována. V obou taveninách, nezpracované i desoxidované se zaznamenávají křivky ochlazování (viz obr.3.32) a měřena celková aktivita kyslíku. Obr DTA křivky (termoanalýzy) pro zjištění četnosti parametrů pro tvorbu vermikulárního grafitu 1 okraj vzorku: primární austenit, 2- střed vzorku:primární austenit, 3 okraj vzorku: eutektikum, 4 střed vzorku: eutektický grafit, 5 střed vzorku: eutektický austenit; /49 /.; Obr Úzké pole vermikulární litiny v diagramu EMK- TE.,Výchozí aktivita kyslíku se pohybovala v oblasti -50 až -200 mv /60/; > Při vyhodnocení jsou v prvé řadě zohledněny rozdíly sledovaných hodnot u obou křivek. Křivky ochlazování a DTA křivky nezpracované taveniny a taveniny desoxidované se liší především podle rozhodujícího stavu krystalických zárodků. S ohledem na shora popsané děje (viz obr.3.25 až 3.32) možno prognózovat dílčí stavy v celkovém obsahu kyslíku, oxidu železa i oxidu křemičitého a podíly aktivních zárodku pro požadovanou krystalizaci grafitu.z nich se pak vychází pro případnou korekci a dávkování (standardního množství) Mgpředslitiny do základní taveniny. Toto standardní množství je funkcí hmotnosti a tvaru (stavu) odlitku a možno je pomocí empirického nelineárního algoritmu, vypočítat pro hmotnost odlitku 2 až 1000 kg a silách stěn 3 až 50 mm.. OxyCast metoda - poznámky Tato metoda využívá pro řízení výroby litiny s kompaktním-vermikulárním tvarem grafitu stanovení aktivity kyslíku a jeho změny při technologickém procesu. Používá měřící sondy EMK s rozšířeným měřícím rozsahem a zvýšenou přesností měření. Měření vychází z principu elektrochemické měřící buňky (Messzelle) se stabilizovaným oxidem zirkonu, jako pevného elektrolytu a chrom-chromoxidu, jako referenční látky. K tomu obsahuje sonda termočlánek. S ohledem na standardní stav pro nekonečné řešení, je aktivita kyslíku vypočítávána z rovnice: log a 0 = 1,36+0,0059[EMK (T- 1550) + 2x10-4 EMK(T 1550)] kde ( a 0 je v ppm, EMK v mv, T v 0 C ) 21

22 Poněvadž měření aktivity k řízení celého procesu samo o sobě nestačí, zajišťuje se při tom termoanalýza, která zajistí stanovení spodní eutektické teploty (přechlazení). Na základě toho vznikl známý diagram v obr. 3.33, podle něhož možno řídit očkování a množství hořčíku. Zpracování taveniny je zajišťováno ve dvou krocích: Nejprve se zpracuje základní tavenina standardním množstvím hořčíkové předslitiny, poté následuje měření sledovaných veličin, tj. aktivity kyslíku a termoanalýza a nakonec následuje jemné sladění přísadou hořčíku a očkováním a to metodou plněného profilu (drátem). Poslední krok je samozřejmě závislý na konečném tvaru a hmotnosti odlitku. Srovnání metod OxyCast a SinterCast metody jsou si v principu podobné, pouze měřící prostředky jsou rozdílné. SinterCast je silně závislá na složení. Na základě srovnání výsledků z malého vzorku se přenáší tyto prakticky v měřítku 1:1 na relativně tenkostěnné odlitky,.takže sotva může být nebezpečí odlišností na hranicí k lupínkovému grafitu. U tenkostěnných odlitků je spíše nebezpečí většího podílu zrnitého grafitu. Zbytek je věcí empirické extrapolace. OxyCast nemá výběrem termoanalyticky získaných podkladů o přechlazení (= potřeba očkování) žádný direktivní vztah na složení, jako jednotlivé cílové veličiny, z toho vychází rozptyl změřených veličin a dvojí vliv na konečné výsledky.. Důležitá je kontrola výchozích parametrů a podmínek taveniny. Výhoda SinterCast oproti NovaCast je odběr vzorku pro termoanalýzu. U NovaCast stojí a padá všechno s pečlivostí a spolehlivostí odběru vzorků. Výhoda OxyCast proti NovaCast je bezpochyby přímé měření aktivity. Základní doporučení pro technologii výroby litiny s kompaktním-vermikulárním tvarem grafitu Výchozí tavenina musí být dezoxidována a odsířena základní podmínka pro potlačení vzniku lupínkového grafitu, Desoxidace musí být řízena tak, aby místo forsteritu (2MgO. SiO 2 ) anebo enstatitu (MgO. SiO 2 ). vznikl olivín (Mg,Fe) 2 [SiO 4 ], Tvořící se částice olivínu nesmí růst příliš rychle, aby byly k dispozici jako zárodky pro krystalizaci vermikulárního grafitu, Obr.3.34 Množství zrnitého grafitu v litině s kompaktním grafitem v závislosti na zbytkovém obsahu hořčíku a síry /63/; 22

23 IV. Klasifikace litin s kompaktním (červíkovitým) grafitem V české literatuře je litina s kompaktním nebo vermikulárním tvarem grafitu označována jako litina s červíkovitým grafitem. Je popisována tak, že má ve struktuře zvláštní tvar grafitu a to červíkovitý či vermikulární grafit. Někdy obsahuje i malé množství nedokonale vyloučeného zrnitého grafitu (cca 20 %, ale i více % z celkového objemu vyloučeného grafitu). Matrice bývá nejčastěji perlitická, feritická, či kombinace obou složek, viz obr. 4.1abc. /64/. Chemické složení těchto litin se pohybuje v rozmezí cca 3,2 až 4,2 % C, 1,5 až 4 % Si, 0,4 až 0,8 % Mn, pod 0,1 % P, pod 0,02 % S (stejně jako litina se zrnitým grafitem).. Obr.4.1 a- Litina s vermikulárním grafitem s matricí perlitickou Obr.4.1 b - Litina s vermikulárním grafitem s matricí feriticko-perlitickou 23

24 Obr.4.1 c - Litina s vermikulárním grafitem s matricí feritickou Obr. 4.1 a,b,c - Mikrostruktura litiny s červíkovitým (vermikulárním) grafitem / 24,64/; 4.1 Charakteristika - klasifikace Charakteristické vlastnosti této slitiny leží mezi vlastnostmi litiny s lupínkovým a zrnitým grafitem. Oblast kterou zaujímá z hlediska základních mechanických vlastností je patrná z diagramu v obr.4.2. Obr.4.2 Srovnání oblastí mechanických vlastností litin a oceli na odlitky /66/; Poloha litiny s vermikulárním tvarem grafitu umožňuje kombinaci zvýšené tažnosti a pevnosti ve srovnání s litinou s lupínkovým grafitem. Komplexní porovnání mechanických a fyzikálních vlastností v závislosti na tvaru vyloučeného grafitu, tj. lupínkového, kompaktního (červíkovitého-vermikulárního) a zrnitého, vztaženého na určitou strukturu základní kovové hmoty je podle různých zdrojů v tabulkách Tab.IV.I až Tab.IV.III. 24

25 Hodnoty pevností litiny s kompaktním grafitem jsou především určovány tvarem grafitu a strukturou základní kovové hmoty. V následujícím je zaměřena pozornost především na nelegovanou litinu s kompaktním grafitem Zahrnuty jsou ovšem i odchylky, které však vylučují její provozní využití. Tab.IV.XII. Chemické složení a mikrostruktura vorků s kompaktním grafitem /85/ V Tab.IV.XII jsou uvedeny základní charakteristiky vzorků, tj. chemické složení a mikrostruktura (nodularita a struktura základní kovové hmoty) u 11 vzorků z Tab.IV.XI. /85/ Pevnost v tahu a mez kluzu 0,2% Průběh pevnosti a meze kluzu 0,2% (Rp 0,2 ) litiny s kompaktním grafitem a převážně perlitickou strukturou (85-100%), v závislosti na nodularitě a teplotě prostředí je v diagramu obr.4.10 /85/. Obr.4.10 Pevnost v tahu a mez kluzu 0,2, (85-100%) perlitické vermikulární litiny v závislosti na nodularitě a teplotě prostředí /85/; Pevnost v tahu vermikulární litiny s nodularitou 10% a perlitickou strukturou činí za pokojové teploty cca 450MPa. Zatímco se stoupající nodularitou pevnost postupně roste, při výskytu i malého množství lupínkového grafitu pevnost strmě klesá na hodnoty cca 20 až 30% původní pevnosti. Znamená to, že prakticky tatáž litina (3,5-3,8%C), ale s lupínkovým grafitem typu-a dosahuje pevnost v tahu cca 200MPa. Z toho je patrna zásadní škodlivost i malého množství lupínkového grafitu ve struktuře vermikulární litiny. 25

26 Diagram v obr.4.10 též ukazuje, že s růstem nodularity tedy s rychlostí ochlazování v tenkých průřezech stěn odlitků - roste přirozeně i pevnost a při plné nodularitě (tvárná litina) vzroste pevnost v tahu až na hodnotu cca 750Mpa. Naproti tomu mez kluzu 0,2% roste se vzrůstem nodularity jen nepatrně, o cca 5 až 10% /73,81/. Obr Pevnost v tahu a mez kluzu 0,2, vermikulární litiny s nodularitou 0-10%, V závislosti na obsahu perlitu ve struktuře a různých teplotách /85/; Diagram v obr.4.11 představuje vliv obsahu perlitu litiny s vermikulárním grafitem a nodularitou do 10% na pevnost v tahu a mez kluzu 0,2% při pokojové teplotě a zvýšených teplotách 100 a C /85/. Jedná se o prakticky lineární vztah s koeficientem korelace R 2 = 0,95. Znamená to, že přírůstek obsahu perlitu ve struktuře o 20% (např. rozmezí 60-80% perlitu-střední hodnota 70% perlitu) zvyšuje pevnost v tahu o 10-15%.. Z toho plyne doporučení, že pro kvalitu litiny s vermikulárním grafitem je rozhodující tvrdost, opotřebení a obrobitelnost a teprve pak pevnost v tahu Tažnost Z Tab.IV.XI. je patrné, že tažnost litiny s kompaktním grafitem roste s růstem nodularity a přirozeně klesá s přibývajícím množství perlitu ve struktuře. Plastické vlastnosti taktéž klesají s růstem teploty prostředí v rozmezí 20 až C. Ve shodě s tvárnou litinou tažnost roste od cca C /82/. Ve stavu po odlití dosahuje feritická vermikulární litina tažnost cca 2-5%, perlitická vermikulární litina tažnost 0,5-2,0%. Vyžíhaná litina s kompaktním grafitem na zcela feritickou strukturu, dosahuje tažnost až 9% /83/ Modul pružnosti Modul pružnosti litiny s kompaktním-vermikulárním grafitem a převážně perlitickou strukturou (nad 50% perlitu), při nodularitě 0-10% se pohybuje v oblasti GPa (Tab.IV.XI). Modul pružnosti roste s růstem nodularity a klesá se sníženým obsahem perlitu ve struktuře /72, 73, 75/. Změny v hodnotách modulu pružnosti v závislosti na tvaru grafitu odpovídají změnám pevností v tahu a meze kluzu. 26

27 Obr.4.12 Modul pružnosti perlitické (85-100% perlitu) litiny s kompaktním grafitem V závislosti na nodularitě a teplotě C /85/; Přítomnost již nepatrného množství lupínkového grafitu, prudce snižuje modul pružnosti vermikulární litiny (obr.4.12) tak, jako je tomu u hodnot pevnosti v tahu a meze kluzu (obr.4.10). Dalším důležitým poznatkem pro konstrukci strojních dílů je skutečnost, že oproti litině s lupínkovým grafitem, modul pružnosti u vermikulární litiny, zůstává prakticky konstantní pod napětím a při zvýšených teplotách. Vzhledem k tomu, že se na zatěžovací křivce napětíprodloužení při tahových zkouškách šedé litiny s lupínkovým grafitem neprojevuje skutečný pružný lineární podíl (obr.4.13), má to i za následek lineární pokles modulu pružnosti pod napětím (obr.4.14) /86, 87/; V diagramu na obr.4.13 jsou deformační křivky šedé litiny (křehký materiál) a tvárné litiny plastický mat.). Je zde patrný rozdíl průběhu křivek napětí-prodloužení, což zdůvodňuje silný, lineární pokles modulu pružnosti šedé litiny pod napětím. Obr.4.14 Průběh modulu pružnosti pod napětím /75/; Obr Deformační křivky napětí-prodloužení < při tahových zkouškách./11/; Tvárné materiály jako je tvárná litina a částečně i litina s kompaktním grafitem, ve srovnání se šedou litinou s lupínkovým grafitem mají na křivce napětí-prodloužení relativně velký 27

28 pružný podíl a to i feritické tvárné litiny. To má za následek i udržení vysoké hodnoty modulu pružnosti litiny s kompaktním grafitem i pod zatížením a zvýšené teplotě, jak ukazuje obr Prakticky to znamená, že litina s kompaktním grafitem má za dynamického namáhání za provozu, o 50 až 70% vyšší odolnost, jako litina s lupínkovým grafitem Tlumící schopnost Následující údaje jsou souhrnem získaným z různých pramenů. Nejsou proto zajištěny zcela reprodukovatelné a stejné podmínky různých zkušebních metod a tím i zcela srovnatelné výsledky. Podávají však dostatečný přehled a možnosti srovnání různých materiálů (litin). Srovnávány jsou hodnoty: Ztrátový činitel (η), logaritmický dekrement (δ) a tlumící schopnost (ψ). Platí mezi nimi vztah: ψ = 2 δ = 2πη.Nejrozšířenější je normalizovaný vztah relativní tlumící schopnost v rozmezí o až 1. Při tom nejvyšší hodnotu 1 má šedá litina, relativně nejnižší cca 0,1-015 perlitická tvárná litina. Tab.IV.XIII. Relativní tlumící schopnost (souhrn literárních údajů) /72, 88, 89,90/ V Tab.IV.XIII je souhrn hodnot relativní tlumící schopnosti různých druhů litin (šedé, tvárné a vermikulární), s různou základní kovovou hmotou (perlitická, feritická). Šedá litina má hodnotu relativní tlumící schopnosti 1, litina s vermikulárním grafitem v rozmezí 0,35 až 0,60 a tvárná litina v rozmezí 0,14 až 0,34. Obr.4.15 Relativní tlumící schopnost litin v závislosti na nodularitě a obsahu perlitu a uhlíku /85/; V diagramu obr.4.15 jsou shrnuty výsledné hodnoty relativní tlumící schopnosti v závislosti na nodularitě u 21 sledovaných vzorků. Jsou roztříděny podle obsahu uhlíku a množství perlitu ve struktuře do čtyř skupin I až IV. Jedná se u vzorky s relativně nízkým (3,5-3,6%) a vysokým (3,7-3,8%) obsahem uhlíku a s nízkým (70-80%) a vysokým (95-100%) obsahem 28