Litina - OtahalConsult

Vlastislav Otáhal
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
Litina s kompaktním grafitem
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
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
2
Litina s kompaktním grafitem
obsah
I. Úvod
2
Obsah 4
II . Tuhnutí-krystalizace litiny 6
2.1 tuhnutí litiny s kompaktním grafitem
III. Výroba litiny s kompaktním grafitem 15
3.1 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
3.7.1 SinterCast proces
Řízení procesu SinterCast pro licí pánve
Řízení procesu SinterCast pro tlakové odlévací (kanálkové) pece (předpecí)
3.7.2 NovaCast proces PQ-CGI
Řízení procesu PQ-CGI pro licí pánve
Metoda PQ-CGI při Inmold procesu
3.7.3 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 48
4.1 Charakteristika - klasifikace
4.2 Činitelé ovlivňující mechanické vlastnosti
4.2.1. Mikrostruktura
4.2.2. Složení
4.2.3. Vliv síly stěny
4.3 Hodnoty tvrdosti
4.4.Hodnoty pevnosti v tahu
4.4.1. Pevnost v tahu a mez kluzu 0,2%
4.4.2. Tažnost
4.4.3. Modul pružnosti
4.4.4. Tlumící schopnost
4.4.5. Vliv legujících prvků na základní mechanické vlastnosti
4.4.6. 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
4.9.1. Pevnost a mez kluzu
4.9.2. Tečení (creep)
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
3
Litina s kompaktním grafitem
4.9.3. Růst, oxidace, okujení (opal)
4.9.4. Tepelná roztažnost
4.9.5. Tepelná únava
4.9.6. Odolnost proti tepelným rázům (šokům)
4.9.7. Tepelná vodivost
4.9.8 Koroze
4.10 Slévárenské vlastnosti
4.10.1.Sklon k zákalce
4.10.2 Zabíhavost
4.10.3 Sklon ke staženinám
4.11. Obrobitelnost
Literatura
V. Odlitky z litin s kompaktním-vermikulárním, (červíkovitým) grafitem 89
1 . Rozdíly vlastností vermikulární, šedé a tvárné litiny (konstrukční poznámky)
1.1 Pevnost v tahu Rm
1.2 Mez kluzu Rp0,2
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
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
4
Litina s kompaktním grafitem
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.2.1 - Křivky chlazení pro jednotlivé typy grafitů jsou
navzájem podstatně odlišné /15/
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
Obr.2.2 – Místa odběrů vzorků na křivce chlazení
podeutektické litiny s kompaktním grafitem po zakalení /14/;
5
Litina s kompaktním grafitem
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.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
6
Litina s kompaktním grafitem
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.2.5a –Primární forma
kompaktního grafitu (2 000x);
Obr.2.6 a – Struktura pouze s
s kompaktní formou grafitu
-hluboce leptáno, SEM, 560x
/15/;
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.2.6 b – Detail kolony
kompaktního grafitu - hluboce
leptáno, SEM, 2800 x , /15/;
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 - 1010 (7500x) /14/;
Obr.2.7b – Růst kompaktního
grafitu ve směry osy C - 0001
(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/;
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
7
Litina s kompaktním grafitem
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%.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
8
Litina s kompaktním grafitem
3%
30%
5%
50%
15%
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 3 – 5 – 15 - 30- 50 – 80 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.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
9
Litina s kompaktním grafitem
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.
3.2. 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/.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
10
Litina s kompaktním grafitem
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.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
11
Litina s kompaktním grafitem
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 3.5 3.8, % Si 1.5 - 1.9, % S 0,007 - max. 0.012. 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 3.3 - 3.6, % Si 2.0 - 2.5, % S 0.005 - 0.012, % Mg 0.005 – 0.015, % Ce 0.005 – 0.015
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
%Ce - KVZ
0,003
0,05
0,008
0,10
0,012
0,10
0,033
0,025
0,076
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 8600C)
a nadměrného dýmu. Odeznívací účinek se projevuje po cca 10 až 12 minutách. Podstatnou
nevýhodou je poměrně vysoká cena předslitin.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
12
Litina s kompaktním grafitem
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 15200C.
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.
3.7.1 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
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
13
Litina s kompaktním grafitem
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
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
14
Litina s kompaktním grafitem
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. 3.17 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;
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
15
Litina s kompaktním grafitem
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.
3.7.2 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).
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
16
Litina s kompaktním grafitem
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
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
Obr.3.22b - Odlévání PQ-CGI InMold –viditelné reakce
17
Litina s kompaktním grafitem
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.
SiO2) a nebo enstatit (MgO. SiO2). Vycházel při tom z terciálního diagramu systému MgO SiO2 – Al2 O 3 .
Obr.3.29 – Terciární diagram oxidů MgO - FeO – SiO2 / 57/;
Doposud se pro GJV -litinu s vermikulárním grafitem ukazoval vhodný systém MgO - SiO2 –
FeO. (obr.3.29).
Pro litinu s lupínkovým grafitem GJL - LLG se ukázal vhodným binární diagram FeO - SiO2
a binární pro litiny se zrnitým grafitem GJS - LKG diagram MgO-SiO2..Pracovní pole pro
tvorbu zárodků v litině s vermikulárním grafitem GJV leží v oblasti olivinu mezi 20% a 40%
SiO2, 15 až 40% MgO a 20% do 45% FeO, (k tomu možný podíl z hraničních oblastí magnesiumwüstitu, pyroxenu a tridymitu jako dezoxidačních produktů).
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
18
Litina s kompaktním grafitem
Obr.3.30 - Typické oxidické spektrum litiny GJV –s vermikulárním
grafitem /57/;
Obr.3.32. Z hodnoty rekalescence a relativního přechlazení
možno dedukovat tvar krystalizujícího grafitu / 58/;
>
Typické oxidické spektrum je vyznačeno v obr.3.30. Při nízkém obsahu Mg se primárně tvoří
Tridymit a ve struktuře je možno nalézt i lupínkový grafit. Pík pro FeO je ve srovnání s SiO2
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+SiO2) – (tyto se mohou nalézat také náhodně,
izolovaně) - a (Mg,Fe)2[SiO4] zjištěných spektrální analyzou ze vzorků odebraných z licích
pánví můžeme vyvodit, že pokud se týče první skupiny to jest fayalitu ( FeO.SiO2), a druhé
skupiny olivinu (Mg,Fe)2[SiO4] jako oddělených jednotlivých fází, probíhá redukce selektivně
z FeO a SiO2 . 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 TEU a průběh následné rekalescence dT/dt na horní eutektické
teplotě TEO . 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
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
19
Litina s kompaktním grafitem
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. 3.18 -šachovnice). Vliv rekalescence a relativního přechlazení na tvar grafitu
udává diagram v obr.3.32. Litina s převážným obsahem (nad 80%) vermikulárního grafitu
vzniká při přechlazení ∆T cca 150C a rekalescenci nad dT/dt cca 35 0C/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.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
20
Litina s kompaktním grafitem
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.3.32 - 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.3.33 - Úzké pole vermikulární litiny v diagramu EMKTE.,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 a0 = 1,36+0,0059[EMK + 0.54(T- 1550) + 2x10-4EMK(T – 1550)]
0
kde ( a0 je v ppm, EMK v mV, T v C )
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
21
Litina s kompaktním grafitem
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. SiO2) anebo enstatitu
(MgO. SiO2). vznikl olivín (Mg,Fe)2[SiO4],
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/;
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
22
Litina s kompaktním grafitem
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
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
23
Litina s kompaktním grafitem
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.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
24
Litina s kompaktním grafitem
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/.
4.4.1. Pevnost v tahu a mez kluzu 0,2%
Průběh pevnosti a meze kluzu 0,2% (Rp0,2) 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.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
25
Litina s kompaktním grafitem
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.4.11 - 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 3000C /85/. Jedná se o prakticky lineární vztah s koeficientem korelace R2=
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.
4.4.2. 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 3000C. Ve shodě s tvárnou litinou tažnost roste od
cca 4500C /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/.
4.4.3. Modul pružnosti
Modul pružnosti litiny s kompaktním-vermikulárním grafitem a převážně perlitickou strukturou
(nad 50% perlitu), při nodularitě 0-10% se pohybuje v oblasti 145-155GPa (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.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
26
Litina s kompaktním grafitem
Obr.4.12 – Modul pružnosti perlitické (85-100% perlitu) litiny s kompaktním grafitem
V závislosti na nodularitě a teplotě 25-3000C /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.4.13 - 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
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
27
Litina s kompaktním grafitem
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.4.14. 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.
4.4.4. 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
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
28
Litina s kompaktním grafitem
4.7. Únavové vlastnosti
O únavových vlastnostech litin s kompaktním grafitem je doposud podstatně méně údajů,
jako o běžných litinách s lupínkovým a zrnitým grafitem. Přesto je řada prací, které se touto
oblastí zabývají, neboť právě součásti z vermikulární litiny jsou v posledním období středem
zájmu některých průmyslových odvětví. Podrobněji o únavovém porušení viz např./ 12, 13 /.
Únavové porušení může vznikat kmitajícím namáháním osovým (tah, tah-tlak, tlak), ohybovým (plochý
ohyb, ohyb za rotace) nebo krutovým, popřípadě jejich kombinací. Při zkouškách se únavové
namáhání vyvozuje kmitáním napětí okolo určité stálé hodnoty napětí normálového nebo smykového.
Podle nesouměrnosti výkmitu napětí normálového, nebo smykového a jeho časového průběhu
rozeznáváme typy kmitů 1 - pulsující, 2 – míjivý, 3 , 4 – souměrný a nesouměrný střídavý, 5 –
nepravidelný opakující se, 6 – nepravidelný náhodný.
Únavová křivka vyjadřuje závislost buď výkmitu plastické deformace, nebo výkmitu napětí na počtu
zátěžných cyklů do lomu. Přestože základním činitelem ve všech stadiích únavy je cyklická plastická
deformace, je běžným podkladem pro hodnocení vysokocyklové únavy experimentálně jednodušší
únavová křivka založená na napěťových parametrech. Jde o závislost výkmit napětí – počet cyklů do
lomu, nazývanou Wőhlerova křivka (Wőhlerův diagram). Významnou charakteristikou, která se z
Wőhlerovy křivky získává je mez únavy, tj. největší opakované napětí, které může materiál snášet
trvale, aniž dojde k lomu..
Přehlednou informaci o odolnosti materiálu proti porušení při opakovaném namáhání kombinovaném
se statickým předpětím dává Smithův diagram. nebo Goodmanův diagram.
Mez únavy je silně ovlivněna vrubovým účinkem, nebo součinitelem vrubu. Citlivost materiálu na
snížení meze únavy vlivem vrubu se hodnotí součinitelem vrubové citlivosti.
Mez únavy součástí ovlivňují následující činitelé: pevnost materiálu, velikost součásti, tvar a rozložení
grafitu, rozložení a objemové množství různých vměstků a karbidů, rozložení a množství staženin a
ředin, přítomnost různých zdrojů napětí a stav povrchu součásti ./12, 13/.
Souhrn některých hodnot charakterizujících únavové vlastnosti litin s kompaktním grafitem
z nejvýznamnějších prací je uveden v Tab.IV.XVII. a v diagramu amplituda napětí-počet
cyklů v obr.4.24.
Tab.IV.XVII. Únavové vlastnosti a citlivost k vrubům vzorků
vystavených ohybu za rotace /84, 102,103, 104/;
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
29
Litina s kompaktním grafitem
4.8. Vlastnosti za zvýšených teplot
4.9.1. Pevnost a mez kluzu
Změny základních mechanických vlastností, to je pevnosti v tahu, meze kluzu 0,2 a tažnost
za zvýšených teplot jsou pro litiny s kompaktním grafitem s feritickou a perlitickou strukturou
vyneseny graficky v obr.4.30 /75,81/.
Plynulý pokles hodnot pevností pod 4000C je atributem relaxace pnutí, zatímco prudký
pokles těchto hodnot je způsoben rozpadem perlitu a jeho transformací na ferit. Pokles
pevnosti nad hranicí 7000C je způsoben vznikem austenitu, jehož hranici vzniku však možno
posunout k vyšším teplotám přísadou křemíku, což se praktikuje u odlitků pro výfuková
potrubí /112/.
Kompilace hodnot pevností v tahu a meze kluzu 0,2 z různých literárních pramenů je
uvedena v Tab.IV.XX.
Tab.IV.XX. – Pevnost v tahu a mez kluzu 0,2% litiny s kompaktním grafitem (CGI)
v závislosti na teplotě prostředí /73, 74, 75, 82, 113, 114/;
4.9.2. Tečení (creep)
Za zvýšených teplot probíhají v krystalové mřížce kovových materiálů, souběžně
s deformací, v závislosti na čase, tepelně aktivované zotavovací procesy, tak zvané
dynamické zotavení. Jimi se dosažený odpor proti deformaci zmenšuje, takže i při stálé
hodnotě napětí se trvalá deformace tělesa s rostoucí dobou zatěžování zvětšuje. Hovoříme o
tečení neboli creepu.
Přesná měření ukázala, že k tečení dochází za každé teploty. Za nízkých teplot se však
rychlost tečení postupně zmenšuje a tečení nekončí lomem.
Chování při tečení (creepu) nelegované perlitické litiny s kompaktním grafitem podrobené
zatížení tahem při teplotě 3500C je v diagramu na obr.4.31. a podkladová data jsou shrnuta
v Tab.IV.XXI./73/.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
30
Litina s kompaktním grafitem
Tab.IV.XXI. Deformace při tečení a napětí
perlitické litiny s kompaktním grafitem (CGI) /73/;
Obr.4.31 – Chování litiny při tečení perlitické litiny s kompaktním
<grafitem (CGI) při teplotě 3500C v závislosti na čase /73/;
Perlitická vermikulární litina (CGI) je odolnější proti creepu, neboli. odolá vyššímu napětí, ve
srovnání se šedou litinou o cca 30 až 40%, při témže časovém cyklu. Naproti tomu ve
srovnání s tvárnou litinou, vykazuje CGI o cca 25% nižší creepovou odolnost. Limit pro 1%
tečení feritické CGI po 10 000 hod.za teploty 4000C, je napětí 128Mpa a při teplotě 5000C
pouze 50Mpa.
Jelikož se pod hranicí teploty 3500C neprojevuje prakticky tečení, možno se, pro konstrukci
tepelně namáhaných odlitků z CGI orientovat přímo na hodnoty meze kluzu, odpovídající
dané teplotě provozu součásti. Za těchto podmínek je u tvárné litiny konstrukčním pravidlem
hodnota odpovídající 75% limitu úměrnosti, což možno použít i u CGI. Za předpokladu, že
limit úměrnosti pro CGI odpovídá přibližně hodnotě 50% meze kluzu 0,1%, pak z toho plyne
doporučení pro konstrukci hodnota 38% meze kluzu pro provozní teploty do 3500C. To
koresponduje hodnotám 130Mpa pro tah a 190Mpa pro tlak a provozní teploty cca 200C.
4.9.3. Růst, oxidace, okujení (opal)
Srovnávací testy zajišťované anglickým BCIRA prokázaly /115/, že růst a opal CGI do teploty
cca 5000C je obdobný jako u šedé litiny. Nicméně, jak ukazují diagramy v obr.4.32a,b je
odolnost proti oxidaci a opalu CGI za teplot převyšujících tuto hodnotu, na příklad za teploty
6000C podstatně vyšší, jako u šedé litiny.
Obr.4.32 a – Opal (okujení) šedé a kompaktní litiny při teplotě 6000C
v průběhu 34 týdnů /115/;
Obr.4.32 b – Nárůst šedé a kompaktní litiny při teplotě 6000C
v průběhu 34 týdnů /115/;
Redukce opalu –okujení- se přisuzuje menším grafitovým částicím a eutektickým buňkám
v CGI, které limitují hloubku penetrace oxidace. Taktéž má CGI menší počet grafitových
částic na jednotku objemu, čímž je též omezen průnik kyslíku a tím i oxidace pod povrch do
odlitku.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
31
Litina s kompaktním grafitem
Redukce růstu CGI v poměru k šedé litině se přičítá delším difúzním vzdálenostem mezi
eutektickými buňkami a přirozené tendenci k feritizaci, která odvádí volný uhlík ze základní
kovové hmoty přímo ke grafitovým shlukům.
4.9.4. Tepelná roztažnost
Součinitel tepelné roztažnosti šedé litiny roste lineárně až do teploty 7000C. Poté s nástupem
austenitické transformace náhle vzrůstá. Na tepelnou roztažnost má vliv struktura matrice.
CGI s feritickou strukturou má poněkud vyšší tepelnou roztažnost jako litina s perlitickou
strukturou /116/. Součinitel tepelné roztažnosti není prakticky citlivý na tvar grafitu a liší se u
šedé, tvárné a kompaktní litiny v rozmezí +/- 1 µm/m 0C v oblasti teplot 20 0C až 700 0C /75,
82/.
Tab.IV.XXII – Součinitel tepelné roztažnosti CGI /117/;
Součinitel tepelné roztažnosti pro litinu s kompaktním grafitem a se 70ˇa 100% perlitu ve
struktuře v rozmezí teplot 20 0C až 600 0C je uvedeno v Tab.IV.XXII. /117/. Hodnoty ukazují
lineární vzrůst součinitele a poněkud vyšší hodnoty za přítomnosti feritu ve struktuře..
4.9.5. Tepelná únava
Tepelná únava je specifický typ únavy, při niž tepelná cyklace vytvářející v součásti napětí
tah/tlak je způsobena rozdílem expanse a kontrakce materiálu v důsledku tepelného
gradientu. Závažnost tepelné únavy vzrůstá s růstem teploty, rozšiřující se oblasti v které
cyklus probíhá a zvyšující se rychlosti ohřevu a ochlazování.
Tepelné únavové vlastnosti litiny s vermikulárním grafitem CGI jsou zvláště důležité u odlitků
hlav motorů v oblasti silně tepelně a mechanicky namáhaného ventilového můstku.
Vzhledem k tomu, že má CGI cca o 15% nižší tepelnou vodivost, vytváří v provozu vyšší
tepelné zatížení, jako šedá litina. Mimo to vyšší modul pružnosti redukuje rozsah redistribuce
napětí do okolí a tím i vytváří celkově vyšší tepelně-mechanické zatížení, jako u stejně
konstruovaných dílů ze šedé litiny, během provozního cyklu. Z téhož důvodů je tvárná litina
pro daná zatížení, ještě méně vhodná, jako litina vermikulární.
Nejvhodnějším materiálem z hlediska výběru mezi legovanou a nelegovanou, feritickou nebo
perlitickou, šedou, CGI nebo tvárnou litinou, je rozhodující konstrukce a pracovní cyklus
jednotlivých součástí a relativní důležitost mechanických napětí versus tepelná vodivost.
Výsledky zkoušek tepelné únavy se mohou v závislosti na geometrii jednotlivých vzorků
velmi lišit. Běžně se pro zkoušky tepelné únavy používají jednoosé zkušební vzorky
obklopené indukční ohřívací cívkou /119/. Někteří autoři se pokoušeli simulovat přímo
provozní podmínky vyskytující se u ventilových můstků, aplikací tepelného cyklu na
zkoušených materiálech ve tvaru opracovaných rovinných destiček / 75,97/. Rychlost a
rozložení ohřevu na zkušebním vzorku ovlivňuje tepelnou vodivost, teplota ohřevu pak má
vliv na mechanické vlastnosti, hlavně pevnost materiálu.
Některá reprezentační data, v závislosti na způsobu zatěžovacího cyklu* jsou uvedena
v následující Tab-IV.XXIII./74,97,98/.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
32
Litina s kompaktním grafitem
V.
Odlitky z litin s kompaktním-vermikulárním
(červíkovitým) grafitem
1. Rozdíly vlastností vermikulární,
šedé a tvárné litiny
(konstrukční poznámky)
Tak jako u většiny nově vyvinutých materiálů, uplatnění odlitků z litiny s kompaktním –
vermikulárním – (červíkovitým) grafitem si vyžádalo určitou dobu, ale doposud jsou stále
hledány další oblasti jejího využití. Přesto již v roce 1982 na MSK v Chicagu, předložil
Nechtelberger a spol. /8/, poměrně ucelený souhrn, jakýsi atlas různých typů odlitků
z vermikulární litiny, do té doby v různých odvětvích a oblastech používaných. Při tom
zdůraznil a podtrhl rozdíly (výhody) vermikulární litiny ve srovnání se
Šedou litinou:
1. Vyšší pevnost v tahu a vyšší mez únavy bez použití legujících přísad,
2. Značně vyšší houževnatost a tím i vyšší bezpečnost proti porušení,
3. Menší sklon k růstu, oxidaci a okujení za vyšších teplot,
4. Menší citlivost na tepelné šoky;
Tvárnou litinou
1. Nižší modul pružnosti,
2. Nižší součinitel tepelné roztažnosti,
3. Vyšší tepelná vodivost,
4. Lepší odolnost proti tepelné únavě při velmi rychlém střídání tepelných
nárazů (šoků),
5. Lepší rozměrová stabilita v prostředí zvýšených teplot,
6. Vyšší tlumící schopnost,
7. Lepší slévatelnost a proto vyšší schopnost k odlévání složitějších dílců
s odolností proti vnitřním vyšším tlakům a nepropustnosti,
8. Lepší výrobní hygienické podmínky v prostředí slévárny;
1.1 Pevnost v tahu Rm
Velmi názorný pohled na základní mechanické vlastnosti uvádí VDG – Merkblatt W 50E
/138/ který obsahuje určité, neobvyklé rozdělení jednotlivých druhů jakosti vermikulární litiny
(obr.5.1). Diagram je rozdělen do třech tepelných (nikoliv geometrických) modulů (oblastí) u
nichž jsou horní hranice definovány hodnotami tepelných modulů 0,65, 1,2 a 1,9
odpovídajících odděleně litým (bočně odlévaným) Y-tělesům (kýlové bloky), o síle stěn 12,5
mm (Typ I), 25mm (Typ II) a 50 mm (Typ III). Zjištěné pevnosti odpovídají nodularitě
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
33
Litina s kompaktním grafitem
v rozmezí 20 +/- 10%. Uvnitř jednotlivých hranic odpovídají pevnosti jednotlivých kvalit litin,
např. GJV-400 I pro tloušťky stěn (I), GJV-400 II pro střední tloušťky stěn (II) a GJV-400 III
pro tlustostěnné odlitky (III)..Diagram vyjadřuje plynulý přechod jednotlivých kvalit litin GJV 300 až GJV-500, v závislosti na hodnotě tepelných a geometrických modulů odlévaných
polotovarů.
Obr.5.1 – Rozdělení jakostí GJV dle VDG-Merklatt W 50 E,
/138/;
Obr.5.2 – Modul pružnosti GJL – 250 a GJV – 450
v závislosti na napětí a teplotě,
Uvažujme např. odlitek o průměrném průřezu stěn odpovídajících tepelnému modulu cca 1
cm a požadované pevnosti v tahu 450N/mm2. Volíme tedy jakost litiny GJV-450(II) (viz
střední oblast diagramu). Tato litina obsahuje obyčejně cca 0,009 až 0,011% zbytkového Mg.
V sousední oblasti modulu vpravo, tj. s vyšším modulem se může již vyskytovat šedá litina,
v oblast vlevo (nižší moduly), se naopak vyskytuje vermikulární litina GJV s více než 30%
nodularity (tedy již mnohem vyšší jakosti). Z toho plyne, že daná jakost (GJV-450) o
odpovídající pevnosti se již nenalézá a nelze ji extrapolovat v žádném z průřezů odlitku
vyznačených v diagramu nalevo, ani napravo. Tomu též odpovídají podstatné rozdíly ve
strukturách v různých průřezech stěn výsledného odlitku.
Na základě předcházejících úvah a diagramu v obr.5.1. rozděluje Lampic-Opländer / 49/
výrobní sortiment odlitků pro hlavy válců osobních vozidel, vložky válců, skelety pro
spřažené konstrukce (do skupiny s obsahem 0,006 až 0,009% Mg), Nf klikové skříně, hlavy
válců (do skupiny s obsahem 0,009 až 0,011% Mg ), tělesa ventilů hydrauliky, a hlav lodních
dieselových motorů (do skupiny s obsahem 0,011 až 0,014% Mg).
S problematikou různorodosti struktury v různých průřezech odlitku se již zabývala řada
autorů a zvláště pak na typických odlitcích části motorů a tlakových armaturách
(průmyslových ventilů - fitinek pro naftový průmysl) Riposan a spol./9/.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
34
Litina s kompaktním grafitem
Litina s kompaktním-vermikulárním grafitem byla vyráběna přísadou očkovadla MODIVER –
MVT, vyvinutým autorem (Rumunsko). Jejich složení je uvedeno v Tab.V. I. Jejich úspěšné
použití je podmíněno nízkým obsahem síry ve výchozí zpracovávané tavenině.
Tab.V.I. Chemické složení modifikátorů MODIVER-MVT /9/-
Na obr.5.3 je řez odlitkem bloku motoru z vermikulární litiny získané modifikací přísadou 1,11,3% MVT-I, s následným grafitizačním očkováním 1,5% FeSi 75. Chemické složení odlitku
skříně: 3,41% C, 2,6% Si. 0,75% Mn, 0,59% P, 0,027% S, 0,1% Cu, 0,24% Cr. Výsledná
struktura na zkušební tyči Φ 250mm je feriticko-perlitická s obsahem 80-90% vermikulárního
grafitu. Pevnost v tahu 465N/mm2, mez kluzu 280 N/mm2 a tažnost 1,5%.
V závislosti na síle stěny odlitku se mění výsledná struktura. Slabší stěny obsahují vyšší
množství zrnitého grafitu a větší poměr perlitu, jak je zřejmé z leptaných povrchů vzorků.
Silnější stěny obsahují optimální množství vermikulárního grafitu s feriticko-perlitickou
strukturou.
Na obr.5.4. je řez hlavou motoru z vermikulární litiny se sílou stěn v rozmezí 5 až 30
mm..Litina byla tavena ve studenovětrné kupolové peci a vyrobena modifikací MVT-2.
Struktura je feriticko-perlitická ( ferit cca 60 až 80%) s nodularitou 15 až 30%. Pevnost v tahu
360 až 495 N/mm2 , tvrdost 187 až 220 HB.
3. Příklady využití litiny s vermikulárnímkompaktním-červíkovitým tvarem grafitu
(Atlas odlitků)
3.1 Hlavy motorů, bloky válců – motorové (klikové) skříně,
základové desky (úložné rámy), vložky válců, pístní kroužky
Jsou nejčastěji používané typy odlitků.dieselových motorů většinou pro nákladní automobily,
lodní motory. Ajiné stacionární motory.
V počátečním stádiu průmyslové aplikace od roku 1970 to byla výroba hlav válců pro lodní
dieselovy motory (obr.5.6a,b,c), které byly vyráběny v kooperaci BE (Buderische
Eisenwerke Wetzlar) a MaK (Maschenenbau Kiel)./143,8/. Hmotnost odlitků činila 185 až
1000 kg o počtu válců 6/8/9. Průměr vrtaných válců se ohyboval od 320 až 580 mm, a počet
otáček 600 až 425 / min. Vnitřní (zážehový) tlak cca 112 až 115 bar. Základní matrice je
převážně feritická s max. 5% perlitu, bez volně vyloučeného cementitu Ve struktuře max
20% zrnitého grafitu. Odlitky jsou podrobeny tepelnému zpracování v dusikové atmosféře.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
35
Litina s kompaktním grafitem
Minimální hodnoty mech. vlastností jsou Rm = 300Mpa, Rp0,2 = 240Mpa, A5 = 2%. V praxi
činí průměr 380/280/ Mpa a 6%. Průměrná zmetkovitost v průběhu 10 let činila 0,13%.
Použití hlav válců z vermikulární litiny umožnilo zvýšení výkonu motorů až o 50%.
b – Hlava válce dieselova motoru MaK, /8/;
Obr.5.6a – Surový odlitek hlavy válce dieselova motoru MaK včetně
<=
vtokové soustavy /143, 8/;
Obr.5.6
Obdobné hlavy válců z vermikulární litiny modifikované KVZ vyráběla také japonská firma
UBE Industrie LTD pro licenčně vyráběné motory MaK. Mimo to vyráběla tato firma hlavy
válců o hmotnosti 100 kg a o tloušťce stěn 8 až 50 mm pro rychloběžné, vysoce výkonné
dieselovy motory (obr.5.7) /8/. Dosahují tyto mechanické vlastnosti: Rm = 370Mpa, Rp0,2 =
300Mpa, A5 = 6,1%., HB = 163.
Obr.5.6 c – Hlava válce dieselova motoru MaK,(řezy pro
vyjmutí zkušebních vzorků /8/;
Obr.5.7 – Hlava válce pro generátor vysoce výkonného
rychloběžného dieselova motoru /8/;
V obr.5.8 taktéž z Japonské provenience je sériově vyráběná skříň dieselova motoru fmou
YDOSHA Imono Co, Tokyo z CGI (Automobil Castings Comp.) /8/, z vermikulární litiny
přísadou Ce, dle patentové dokumentace / 145/.
Již od roku 1976 vyráběla firma Buderusche Eisenwerke, Wetzlar velké hlavy válců o
hmotnosti 2 000 kg z feritické vermikulární litiny, tepelně zpracované (obr.5.9) /144/. Jsou
montovány na dieselovy motory o výkonu 1 360 kW na jeden válec pro výrobce Stork-Werkspoor, Amsterdam, Holandsko. Vrtání válců 620 mm, počet otáček 425/min. V-motory, počet
válců 6/8/9/12. Montovány jsou na dopravní a kontejnerová plavidla, případně i jako
stacionární pohonné jednotky.
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
36
Litina s kompaktním grafitem
Obr.5.8 – Sériově vyráběné skříně motoru YDOSHA
Imono Co, Tokyo z CGI /8/;
Obr.5.9 – Hlava válce (2000kg) GGV, pro SWD-TM 620
Diesel. lodní motor (1200x1000x250mm), tl=2070 mm / 144/,8/;
=>
V obr.5.10a,b jsou odlitky klikové skříně šestiválcového motoru z vermikulární litiny GJV-450
a celého smontovaného šestiválcového dieselova motoru D 2066 Common Rail od firmy
MAN./149/. V obr.5.11a je představitel odlitků hmotnosti 8 až 17 tun bloků a hlav motorů
Rolls Roice pro VDP Itálie vyráběných od roku 1996. Na obr.5.11b je odlitek bloku motoru
12,9 litru, šestiválec Daf Truck vyráběných od roku 2008./151/.
Obr.5.10b – Šestiválcový dieselmotor
D 2066 Common Rail MAN /149/;
Obr.5.11a–8-17 tunové bloky
motorů Rolls Royce, VDP - Itálie
/151/;
Obr.5. 11b - 12.9 litrů blok motoru
DAF - Tupy - Brazilie, od r.2008
/151/;
Obr.5.10a – Odlitek klikové skříně
z vermikulární litiny MAN /149/;
V roce 2004 na „Congrès Le diesel: aujourd’hui et demain“ v Lionu shrnul Guesser,W.L. a
spol /147/ stav vývoje Dieselových motorů, jejichž klikové skříně – bloky válců a hlavy
válců, případně i jiné komponentu jsou vyráběny z vermikulární litiny, pro přední světové
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
37
Litina s kompaktním grafitem
výrobce osobních automobilů, jejichž někteří představitelé jsou uvedeny v obr.5.12a,b,c až
obr.5.14 /147/.
Obr.5.12 a – Blok motoru
Audi 2.7L, 3.0 V6 diesel
/151/;
Obr.5.12b – Blok motoru A CGI
12L pro diesel- elektrické
lokomotivy a nákladní vozy /151/;
Obr.5.12c – Skupina odlitků částí motorů z vermikulární litiny
/151/;
Jsou též uvedeny získané hodnoty pevností, meze únavy a modulu pružnosti na odebraných
vzorcích přímo z vyrobený odlitků z výrobního procesu, při odlévání a vlastní výrobě ve
srovnání se zkušebními vzorky zvláště odlitých zkušebních tyčí.
Obr.5.13a – Motor BMW V8 (1999)
180kW, 4000 ot/m, /147/;
Obr.5.13b – Motor Audi V8 (Birch,1999
Kassack, 2000), 165 kW , 1800 to 3000
Obr.5.14 – Motor Ford PSA Jaguar V6,
2.7L V6 Diesel, 152 kW, 440 N.m, /147/;
Typické mechanické vlastnosti vzorků odebraných z bloků a z hlav válců, základny a víka
ložiska jsou uvedeny na diagramu v obr.5.15. Výsledky dovolují srovnání mezi vermikulární
litinou CGI a šedou litinou. Je patrné podstatné zvýšení pevnosti v tahu (modře) a tomu
odpovídající meze kluzu (červeně) u vermikulární litiny ve srovnání se šedou litinou (žluté
sloupce)..
Vermikulární litina vykazuje taktéž podstatné zvýšený modul pružnosti ve srovnání se šedou
litinou. Výsledky v obr.5.16. byly získány opět jednak ze vzorků odebraných přímo z bloku
válců z Y bloků a srovnány se zkušebními vzorky zvláště odlitými dle předepsaných
postupů.
Konzoly, příruby /8/
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
38
Litina s kompaktním grafitem
Obr.5.27a – Konzola rámu nákl.auta /1 a
1,5 kg);
Obr.5.27b – Montážní konzola pro
Přídavné řízení traktoru (5,7 kg);
Obr.5.27c – Závěs sekačky
Za traktor (11,5 kg);
Obr.5.28a – Ložisková konzola (2 kg);
Obr.5.28b – Brzdová konzola (9kg);
Obr.5.28c – Spojovací příruba ;
Řemenice, ozubená kola, řetězová kola
Obr.5.29b - Věnec ozubeného
Kola (4kg);
Obr.5.29a – Řemenice
servořízení nákl.vozu (11kg);
Obr.5.29c – Excentrické
ozubené kolo (450kg);
Rotační díly a jiné odlitky
Obr.5.30a – Rotor (6kg);
Obr.5.30b - Rotor s nábojem
(40kg);
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
Obr.5.30c – Spojka olejového potrubí
traktoru ( cca 1 kg);
39
Litina s kompaktním grafitem
Obr.5.31a – Držák hlavy těžkého
dieselmotoru (2kg);
Obr.5.31b – Spojovací vidlice
(2 a 3kg);
Obr.5.31c – Páka traktoru
(1,5kg);
Písty, brzdové bubny,disky a čelisti
Obr.5.32 – Brzdový disk rychlovlaku /8/;
Obr.5.33 – Rotor Wankelova
motoruů
Obr.5. 35 - Přítlačný
kotouč spojky; setrvačník
SKF-Mekan (2004) /151/;
Obr.5.34 – Torzní tlumič pro
Osobní vozy Doktas (200)7;
Obr.5.36 – Brzdová čelist
(1,5-2kg); /8/;
3.4 Skříně a díly ventilátorů a čerpadel
Zde se využívají velmi dobré tepelné vlastnosti kompaktní litiny.. Jedná se o skříně čerpadel
a turbočerpadel, zubových čerpadel, turbodmychadel apod.(+GF Schaffhausen).
(obr.5.37a,b,c).
Obr.537a - Skříň turbodmychadla
(1100 kg)
Obr.5.37b – Plnící hrdlo turbodmychadla
Dashiang – Čína od 2008 /151/
Vlastislav Otáhal
Technicko-ekonomické poradenství
Obr.5.37c - Skříň turbodmychadla (180kg), /8/;
40