Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Tepelné zpracování litin Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Votava, Ph.D.
Vypracoval: Martin Havelka Brno 2010
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci na téma „Tepelné zpracování litin“ vypracoval samostatně a pouţil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloţeném seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a můţe být pouţita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF MENDELU v Brně.
dne………………………………………. podpis bakaláře………………………….
PODĚKOVÁNÍ Děkuji Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D. za odborné vedení bakalářské práce, poskytování cenných rad a materiálových podkladů k práci.
ABSTRAKT Tato bakalářská práce je zaměřena na problematiku grafitických litin, především jejich tepelného zpracování. Hlavním cílem práce je seznámení se s grafitickými litinami, jejich strukturou, vlastnostmi, vyuţitím a tepelným zpracováním. Vedlejší částí práce je experimentální měření vzorků litin s cílem určit jejich druh a mechanické vlastnosti. Teoretická část práce sestává z několika kapitol, zabývajících se problematikou litin. Druhá část práce zahrnuje experimentální měření neznámých vzorků litin, kdy po provedení experimentu bylo zjištěno, ţe se jedná o feriticko-perlitickou litinu s lupínkovým grafitem, z nichţ vzorek č. 1 nebyl nijak tepelně zpracován a je ponechán v přírodním litém stavu. Vzorek č. 2, taktéţ se jedná o feriticko-perlitickou litinu s lupínkovým grafitem, byl normalizačně ţíhán v proudu vzduchu s vyšší intenzitou ochlazování. Klíčová slova: austenit, ledeburit, ferit, perlit, grafit, kalení, ţíhání, popouštění, struktura
ABSTRACT This thesis deals about problems of graphite cast irons, especially the heat treatment. The main intention is to get acquainted with structure, properties and using heat treatment onto graphite irons. Part of work discuss about experimental measurements of cast iron samples for purpose their type and mechanical properties. The theoretical part containt several chapters dealing about cast iron. The second part includes the experimental measurements of unknown examples of cast iron. My example was evaluated as a ferritic-pearlitic cast iron with lamellar graphite. Sample No. 1 was not thermally treated and was left in natural cast state. Sample No. 2 was also a ferritic-pearlitic cast iron with lamellar graphite, the normalized annealed in the air stream with higher intensity of cooling.
Key words: austenite, ledeburite, ferrite, pearlite, graphite, hardening, annealing, tempering, the structure
OBSAH 1
ÚVOD........................................................................................................................ 8
2
CÍL ............................................................................................................................. 8
3
ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ LITIN............................................................................ 9
3.1
Litina s grafitem v podobě kuliček, LKG .............................................................. 9
3.2
Litina s grafitem v podobě lupínků, LLG ............................................................ 10
3.3
Litina s grafitem v podobě vloček ....................................................................... 10 STRUKTURA GRAFITICKÝCH LITIN ............................................................... 11
4 4.1
Základní strukturní sloţky soustavy ţelezo – uhlík ............................................. 12
4.2
Makroskopické zkoumání struktur ...................................................................... 13
4.3
Mikroskopické pozorování .................................................................................. 16
4.4
Struktura litiny s kuličkovým grafitem ................................................................ 16
4.5
Struktura litiny s lupínkovým grafitem ................................................................ 17 VLASTNOSTI GRAFITICKÝCH LITIN .............................................................. 18
5 5.1
Vlastnosti litiny s kuličkovým grafitem............................................................... 18
5.2
Vlastnosti litiny s lupínkovým grafitem .............................................................. 21 POUŢITÍ GRAFITICKÝCH LITIN ....................................................................... 23
6 6.1
Pouţití šedé litiny................................................................................................. 23
6.2
Oblasti pouţití tvárné litiny ................................................................................. 23 TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ LITIN.......................................................................... 24
7 7.1
Ţíhání ................................................................................................................... 24
7.1.1 Ţíhání ke sníţení vnitřního pnutí ..................................................................... 24 7.1.2 Ţíhání ke sníţení tvrdosti ................................................................................. 25 7.1.3 Normalizační ţíhání ......................................................................................... 25 7.2
Kalení ................................................................................................................... 25
7.2.1 Povrchové kalení .............................................................................................. 25 7.2.2 Zušlechťování................................................................................................... 26 7.3 8
Popouštění ............................................................................................................ 26 VLIV LUPÍNKOVÉHO GRAFITU NA VZNIK TRHLIN .................................... 26
8.1
Štěpení ................................................................................................................. 26
8.2
Tvárné narušení struktury .................................................................................... 28
9 9.1
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ................................................................................... 30 Měření tvrdosti vzorků číslo 1 a číslo 2 ............................................................... 30
9.1.1 Vyhodnocení měření ........................................................................................ 30 9.2
Metalografické vyhodnocení vzorku číslo 1 ........................................................ 31
9.2.1 Měření mikrotvrdosti vzorku číslo 1 ................................................................ 31 9.2.1.1 Vyhodnocení měření ................................................................................. 31 9.3
Metalografické vyhodnocení vzorku číslo 2 ........................................................ 32
9.3.1 Měření mikrotvrdosti vzorku číslo 2 ................................................................ 32 9.3.1.1 Vyhodnocení měření ................................................................................. 32 10
ZÁVĚR ................................................................................................................ 33
LITERATURA ............................................................................................................... 34 SEZNAM POUŢITÝCH OBRÁZKŮ ............................................................................ 35 SEZNAM POUŢITÝCH TABULEK ............................................................................. 35
1
ÚVOD Slévárenství provází vývoj lidstva od nepaměti. Slouţilo k výrobě nástrojů,
zbraní, ozdob a posléze pro průmyslovou výrobu uţitných předmětů, strojů a konstrukčních dílů. Slévárenská výroba v českých zemích se rozvíjela od konce 16. Století, zejména však v 18. a 19. Století, kdy byly vybudovány velké ţelezárny (např. v Blansku, Komárově u Berouna). [6] Zakladateli vědecké nauky o kovech a tepelném zpracování slitin jsou ruští učenci Pavel Petrovič Anosov a Dmitrij Konstantinovič Černov. Jejich velké objevy byly pramenem soudobých poznatků o kovech a slitinách, jejich struktuře, přeměnách, vlastnostech a způsobech zlepšení jejich jakosti. [3] Růst průmyslové výroby klade stále vyšší nároky na výrobky strojírenského průmyslu, a to jak z hlediska parametrů výkonu, ţivotnosti a provozní spolehlivosti, tak i nízké hmotnosti. Jedním z opatření v tomto směru se jeví vývoj a aplikace vysokopevných, současně však dostatečně houţevnatých slitin, k nimţ náleţí se svými specifickými vlastnostmi také grafitické litiny. Grafitické litiny patří nejstarším, avšak dosud nejpouţívanějším kovovým materiálům. [1] Výroba zejména moderních vysokopevných litin a s jejich výrobou spojených metalurgických postupů se stále rozvíjí. Klíčovými spotřebiteli litinových odlitků jsou zejména automobilový průmysl, průmysl obráběcích a tvářecích strojů a výroba odstředivě litých trub. Málokdo ale ví, ţe i mohutné kontejnery pro ukládání vyhořelých palivových článků z atomových elektráren jsou odlitky z litiny s kuličkovým grafitem. [6] Hospodářské statistiky výroby litinových odlitků ve vyspělých státech dokazují, ţe litina nepatří do starého ţeleza. [6]
2
CÍL Hlavním cílem této práce je seznámení se s problematikou tepelného zpracování
litin s grafitem v podobě kuliček (tvárná litina) a v podobě lupínků (šedá litina). Vedlejším cílem práce je experimentální měření vzorků litin, které je zaměřené na určení druhu litiny a jejích mechanických vlastností, zahrnující měření tvrdosti vzorků včetně metalografických výbrusů. Oba tyto vzorky jsou součástí bloku motoru nákladních automobilů, konkrétně části vodítek ventilů.
8
3
ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ LITIN Významnou skupinu surových ţelez a litin tvoří slitiny s obsahem uhlíku
větším neţ 2,14 %. Jako litiny označujeme slitiny ţeleza s uhlíkem, křemíkem a dalšími prvky (Mn, P, S aj.), u nichţ obsah uhlíku převyšuje jeho mezní rozpustnost v austenitu. Vyrábějí se přetavováním surových ţelez a ocelového odpadu v kuplovnách nebo elektrických pecích (indukčních nebo obloukových). Ve srovnání s ocelí jsou proto litiny slitinami strukturně sloţitějšími. [4] K nejstarším, avšak dosud nejpouţívanějším konstrukčním materiálům patří grafitické litiny. Mají buď veškerý uhlík, nebo jeho převáţnou část vyloučenou ve formě grafitu a neobsahují volný cementit. Mají výhodné slévárenské vlastnosti a postupným zdokonalováním technologie výroby dosáhly také velmi dobrých vlastností uţitkových. [4] U litin s příznivým tvarem grafitu (tvárná, temperovaná) lze dosáhnout mechanických vlastností srovnatelných s ocelí a současně zachovat specifické vlastnosti litiny, které zaručuje grafit. U těchto druhů litin lze také měnit v poměrně značném rozsahu strukturu základní kovové hmoty (matrice), a tím i jejich vlastnosti tepelným zpracováním. [4] Podle strukturního hlediska, coţ je chemické sloţení a podmínky tuhnutí rozlišujeme buď cementitické eutektikum (bílá litina), nebo grafitické eutektikum (šedá, tvárná litina). Bílou litinu dále dělíme na podeutektickou, eutektickou a nadeutektickou. Mezi grafitické litiny řadíme šedou litinu obyčejnou, šedou litinu očkovanou, litinu tvárnou, temperovanou a tvrzenou litinu. Kombinací šedé a bílé litiny vzniká litina skořepová a samostatnou skupinu tvoří litiny legované.
3.1 Litina s grafitem v podobě kuliček, LKG Grafitická litina, v níţ je po ztuhnutí grafit vyloučen ve tvaru kompaktních kulovitých zrn, se nazývá tvárná litina. V porovnání s šedou litinou má tvárná litina výrazně lepší mechanické vlastnosti (Obr. 1), zejména plasticitu a houţevnatost. Předností tvárné litiny je rovněţ vyšší hodnota modulu pruţnosti (E = 160 000 aţ 180 000 MPa). [4]
9
Obr. 1 Pevnost v tahu a tažnost grafitických litin a uhlíkové oceli na odlitky (hodnoty podle ČSN) [4]
3.2 Litina s grafitem v podobě lupínků, LLG Litiny s lupínkovým grafitem jsou poměrně levným konstrukčním materiálem s dobrými
technologickými
vlastnostmi
(především
slévatelnost).
Pokud
jde
o mechanické vlastnosti, vyznačují se velmi nízkou plasticitou a houţevnatostí, jeţ souvisí s přítomností lupínkového grafitu v matrici těchto litin. [4] Tyto litiny jsou křehkým materiálem, který má velmi nízkou taţnost (A 1 %). Pevnost v tlaku je 3 aţ 4krát větší neţ pevnost v tahu a je podstatně ovlivněna mnoţstvím a tvarem grafitu. Hodnoty pevnosti v tahu jsou v rozmezí 100 aţ 350 MPa, hodnoty tvrdosti v rozmezí 180 aţ 270 HB. [4]
3.3 Litina s grafitem v podobě vloček Litina s vločkovým grafitem, téţ zvaná temperovaná litina je dosti pevný a houţevnatý, dobře obrobitelný konstrukční materiál, vyrobený tepelným zpracováním (temperováním) bílé litiny. [4] Temperovanou litinu dále dělíme na litinu s černým lomem (vločkový grafit) a litinu s bílým lomem. Temperovaná litina je výhodný konstrukční materiál zejména pro středně namáhané odlitky menší hmotnosti (převáţně do několika kg) s tloušťkou stěny od 3 do 30 mm. Svými vlastnostmi se blíţí tvárné litině (Obr. 1), má příznivou hodnotu modulu 10
pruţnosti (E = 140 000 aţ 180 000 MPa), značnou schopnost útlumu a dobré třecí vlastnosti. [4]
4
STRUKTURA GRAFITICKÝCH LITIN Pod pojmem struktury litin ve vlastním smyslu rozumíme projev krystalové
stavby na lomové ploše nebo na vhodně upraveném rovinném řezu. Pokud jsou projevy krystalové stavby zjistitelné prostým okem nebo při malém zvětšení, obvykle za pouţití lupy, mluvíme o makrostruktuře. Je-li nutno k rozlišení pouţít větších zvětšení, obvykle nad padesátinásobek, kterého se dosahuje mikroskopem, mluvíme o mikrostruktuře. [5] Tyto metody poskytující bezprostřední obraz struktury jsou obvykle označovány jako přímé. Metody nepřímé jsou zaloţeny na vyuţití různých fyzikálních principů, představa struktury se získává prostřednictvím naměřených hodnot fyzikálních vlastností nebo jejich projevů (difrakční metody, rezistormetrie aj.). Struktura je tvořena základní kovovou hmotou (matricí), v níţ je přítomen grafit. [4] Druh matrice ovlivňuje vlastnosti grafitických litin, stejně tak i tvar, velikost, mnoţství a rozloţení grafitu. Řada důleţitých vlastností je však určena i charakteristikou vnitřní stavby litin, danou pravidelným uspořádáním atomů v krystalové mříţce. Toto uspořádání označujeme jako krystalovou strukturu. [5] Zhodnocení strukturních součástí nejčastěji se v litině vyskytujících umoţňuje ČSN 42 0461-75, která kvalitativně a kvantitativně popisuje grafit, ferit, perlit, cementit a fosfidické eutektikum. [4] Vyšetřování krystalové struktury je po stránce přístrojů i metodiky náročnější neţ studium makrostruktury a mikrostruktury. Většina vlastností litin, důleţitých pro jejich pouţití i zpracování, závisí rozhodující měrou na struktuře. [5] Zkoumání struktury má nejen teoretický, ale i praktický význam a je základní disciplinou nauky o kovech. Dovoluje například hodnotit jakost výroby kovových materiálů i sloţité procesy jejich zpracování, umoţňuje posoudit vhodnost materiálu pro daný účel, odhalit rozsah a příčiny vad materiálu apod. [5] Pro spolehlivé posouzení struktury a podrobný rozbor je většinou účelné pouţít vhodné kombinace několika přímých i nepřímých metod. [4]
11
4.1 Základní strukturní sloţky soustavy ţelezo – uhlík Základními strukturními sloţkami jsou: ferit, austenit, cementit, grafit, perlit (tvořen feritem a cementitem) a ledeburit (tvořen perlitem a cementitem). [2] Ferit – intersticiální tuhý roztok uhlíku v ţeleze α. Jeví se pod mikroskopem jako bílá polyedrická zrna. Je hlavní strukturní součástí nízkouhlíkatých ocelí. U ocelí mírně podeutektoidních se vylučuje po hranicích původních austenitických zrn. Vyskytuje se dále jako základní sloţka perlitu. [2] Austenit – intersticiální tuhý roztok uhlíku v ţeleze γ. Ve struktuře pozorované za normální teploty se běţně nevyskytuje. Za teplot nad Ac3, pozorován v teplotním mikroskopu, má tvar polyedrických zrn, s hranicemi svírajícími přednostně úhel 120 °. Zbytkový austenit, existující v kalených ocelích o vysokém obsahu uhlíku, zůstává uloţen mezi jehlicemi martenzitu, kde tvoří bílá políčka. Je podstatně měkčí neţ základní martenzitická hmota. [2] Cementit – chemická sloučenina Fe3C (karbid ţeleza). U nadeutektických bílých litin vytváří destičky, které se jeví jako velké bílé jehlice primárního cementitu, často porušené lomem, uloţené v základní hmotě (ledeburit). U ocelí nadeutektoidních segreguje v důsledku změny rozpustnosti uhlíku v austenitu tzv. sekundární cementit a ukládá se ve tvaru síťoví po hranicích původních austenitických zrn. Od síťoví feritu se rozezná podle toho, ţe má vyšší tvrdost (zkouška mikrotvrdosti). Téţ lze rozlišit ferit od cementitu vhodným leptadlem (ve vroucím pikrátu sodném se cementit barví tmavohnědě). U ocelí s velmi nízkým obsahem uhlíku se vyskytuje terciální cementit vyloučený na hranicích feritických zrn v důsledku změny rozpustnosti uhlíku ve feritu. Jeho mnoţství je však malé a pod mikroskopem se jeví často jako „zdvojení“ hranic feritických zrn. Dále se cementit vyskytuje jako sloţka ledeburitu a perlitu. [2] Grafit – čistý uhlík. Je dobře viditelný jiţ na neleptaném vzorku, neboť má světle šedou barvu. Základní tvar grafitu je buď lupínkový, nebo zrnitý ve tvaru více méně kulovém. Vyskytují se také přechodové formy. Tvar, velikost a způsob vyloučení grafitu závisí na podmínkách, za kterých vznikl, obecně však primární grafit je podstatně hrubší neţ grafit eutektický. [2] Perlit – eutektoid tvořený feritem a cementitem. Při malém zvětšení se jeví ve srovnání feritem černým, při velkém zvětšení vznikne však jeho lamelární struktura, ve které se střídají tenké destičky cementitu se silnějšími destičkami feritu. Podle toho jak vzdálené jsou jednotlivé lamelky, rozlišuje se hrubý a jemný perlit. Délka a hustota lamel závisí především na průběhu překrystalizace. Určité rozdíly ve vzdálenosti lamel, 12
pozorované pod mikroskopem, vznikají však také důsledkem jejich rozdílné orientace a závisí na tom, pod jakým úhlem je rovina výbrusu protíná. Při mimořádně pomalém chladnutí (častěji však v důsledku tepelného zpracování) se cementit v perlitu můţe sbalovat do tvaru více méně kulového. Tzv. zrnitý perlit má pak v základní feritické hmotě uloţena zrna cementitu. [2] Ledeburit – eutektikum, tvořené austenitem a cementitem. Za normální teploty lze pozorovat pouze rozpadlý ledeburit, který má v základní hmotě cementitu uloţeny drobné černé ostrůvky perlitu. Typickou ledeburitickou strukturu moţno však pozorovat jen u eutektických nebo lépe nadeutektických bílých litin. Chemické sloţení ledeburitu neodpovídá zpravidla teoretickému eutektickému bodu, neboť polohu tohoto bodu silně ovlivňují u technických slitin přísadové prvky (Si, Mn, S, P). [2]
4.2 Makroskopické zkoumání struktur Makroskopické pozorování pouţíváme k posouzení povrchových vad, lomových ploch a makrostruktury. Ke studiu makrostruktury je obvykle nutné zhotovit výbrus a strukturu vhodným způsobem zviditelnit. [5] Často se zhotovují makrovýbrusy z řezů celých velkých polotovarů nebo součástí, jako je tomu např. při zjišťování průběhu vláken u sloţitějších výkovků (klikové hřídele, ozubená kola apod.), rozloţení vměstků ve velkých ingotech a vývalcích apod. [5] Příprava výbrusu záleţí většinou v obroušení, popř. hrubém vyleštění. K vyvolání makrostruktury se pouţívá leptadel, která necháváme obvykle působit delší dobu, a tím vyvoláme hloubkové naleptání. K leptání ocelí a litin se často pouţívá 50% kyseliny chlorovodíkové, obvykle za horka. Tímto leptáním lze zviditelnit hrubší vady, necelistvost, vycezeniny, trhliny a větší vměstky. [5] Rovněţ
lze
takto
určit
hloubky
cementovaných,
nitrocementovaných,
nitridovaných a kalených vrstev. Vhodnými leptadly (např. podle Oberhoffera) lze vyvolat jemnější podrobnosti makrostruktury, např. dendritickou strukturu, odmíšení fosforu (Obr. 2), makroskopické rozloţení sulfidů, popř. i strukturu svarových spojů (Obr. 3). V tomto případě je třeba výbrus vyleštit. Fosforové a sulfidové segregace v oceli se projeví leptadlem podle Heyna hnědým zbarvením na světlém pozadí. Sulfidové segregáty a jejich rozdělení v ingotech nebo ve vývalcích lze dobře zachytit Baumannovými otisky (Obr. 4 a Obr. 5). [5]
13
Obr. 2 Podélný řez dříkem jeřábového háku (zmenšení 2/3, lept. Oberhoffer) [5]
Obr. 3 Makrostruktura svarového spoje (zvětšení 2krát, lept. nital) [5]
Obr. 4 Baumannův otisk a makrolept persíranem amonným [5]
14
Obr. 5 Baumannův otisk příčného řezu plechu jakosti ČSN 41 5323.1. (lept. Oberhoffer) [5]
Vyuţívá se toho, ţe fotografický papír, navlhčený zředěnou kyselinou sírovou, reaguje se sulfidy za vzniku tmavohnědého sulfidu stříbrného (Ag2S). V místech, kde jsou v materiálu sulfidové vměstky, se utvoří na přiloţeném papíru tmavohnědé skvrny. Podobným způsobem lze pozorovat i jiné vměstky, popř. naleptané hrubé strukturní sloţky, volíme-li ovšem vhodný leptací roztok a postup pro získání otisku. K otisku lze s výhodou pouţít i tiskařské černi, která dovoluje, v porovnání s Baumannovými otisky, provést prakticky neomezené mnoţství otisků (Obr. 6). [5]
Obr. 6 Makrostruktura oceli získaná otiskem pomocí tiskařské černi (Oberlík a Ulvr) [5]
15
Podrobnými postupy můţeme vyvolat téţ makrostruktury neţelezných kovů, podle jejichţ chemické povahy volíme vhodná leptadla. K leptání mědi a jejich slitin pouţíváme nejčastěji leptadla Czochralského, pro makroskopické leptání hliníku a jejich slitin pouţíváme např. roztoku louhu sodného ve vodě nebo roztoku kyseliny chlorovodíkové, dusičné a fluorovodíkové ve vodě. [5]
4.3 Mikroskopické pozorování Reálný kov není dokonale homogenní, proto výsledky některých strukturně citlivých vlastností jsou značně závislé na místě a způsobu odběru vzorku. Je proto třeba odebrat vzorek tak, aby ţádoucím způsobem charakterizoval zkoumané vlastnosti materiálu jako celku. Odebraný vzorek vyţaduje poměrně pracnou úpravu, při níţ rovněţ nesmí dojít k tepelnému nebo mechanickému ovlivnění mikrostruktury. Pracnost přípravy roste s velikostí vzorku, proto se volí obvykle vzorky malé s plochou výbrusu asi do 5 cm2. Menší vzorky se naopak k usnadnění dalšího zpracování zalévají nebo zalisovávají do hmoty vhodných vlastností. Místo odběru je definováno normami (ČSN 42 0304). Ze vzorku se zhotoví zkušební těleso pro vlastní zkoušku, tvar, rozměr i způsob opracování zkušebních těles je pro většinu zkoušek předepsán normou. [5] Světelná a elektronová mikroskopie patří mezi nejčastěji pouţívané metody studia struktury. Slouţí zejména k získání poznatků o druhu a povaze mikrostruktury, tzn. o velikosti a tvaru zrn, druhu fází a strukturních součástí, způsobu jejich vyloučení atd. Elektronová mikroskopie umoţňuje také zkoumání submikrostruktury (počáteční studium fází, hustota a rozloţení poruch krystalové mříţky aj.). Obě metody se vyuţívají rovněţ k posouzení vzhledu lomových ploch nebo výrobků (fraktografie). [4]
4.4 Struktura litiny s kuličkovým grafitem Chemické sloţení tvárné litiny bývá v těchto mezích: C 3,2-4,0 %, Si 1,8-3,0 %, Mn 0,2-0,8 %, P max. 0,1 %, S max. 0,05 %, Mg 0,04-0,08 %. [4] Uhlík a křemík jsou jediné prvky, které významně podporují bezkarbidickou strukturu v litém stavu. Horní hranici jejich obsahu vymezuje rozpustnost uhlíku v tekuté slitině a případně zvýšená křehkost, sníţená tepelná vodivost, sníţení nárazové práce, zvýšení přechodové teploty při rostoucím obsahu křemíku. Křemík na druhou stranu zpevňuje ferit a zvyšuje tak jeho tvrdost, hlavně v ţíhaném stavu. [8] Kromě uhlíku a křemíku se v litině s kuličkovým grafitem vyskytuje i mangan. Mangan je velmi silný aktivátor karbidů, proto je jeho obsah ve slitině řízen, abychom 16
předešli tvorbě karbidů v litém stavu. Jeho maximální obsah je řízený mnoţstvím křemíku a tloušťkou stěny odlitku. [8] Fosfor je prvek, který se vyskytuje ve všech vsázkových surovinách a vyskytuje se proto i v litinách. Vytváří fosfid ţeleza (Fe3P), který segreguje do naposled tuhnoucích míst (hranice buněk). Tyto místa mohou obsahovat aţ dvojnásobek obsahu P a v tenkých odlitcích aţ jeho desetinásobek. Fosfid ţeleza je velmi tvrdá a křehká fáze. Při obsahu P z 0,03 na 0,06 % můţe dojít ke sníţení taţnosti litiny na polovinu. To má za následek i sníţení houţevnatosti, pevnosti, zvýšení popouštěcí křehkosti apod. Měl by se proto dodrţet obsah fosforu menší neţ 0,04 %. Proto se doporučuje pouţívat kvalitní vsázku, kde je fosforu minimum. [8] Stabilizace perlitu ve struktuře a tím zvýšení pevnosti a tvrdosti litiny zabezpečují přísady jako je Sn, Mo, P, Cu, Ti, Mn, Ni a Cr, ze kterých mají negativní účinky P, Ti, Mn a Cr a z ekonomických důvodů není aktuální doporučovat Ni a Mo. Základní perlitizační přísadou jsou tedy Cu a Sn. Účinek cínu je asi desetinásobný oproti mědi. Má ale nevýhodu, ţe podporuje vznik mezibuňkového lupínkového grafitu. Proto se ho doporučuje jen 0,05 %. Na druhé straně je přidávání mědi bezpečné aţ do 2 %. [8] Struktura tvárné litiny závisí na chemickém sloţení a rychlosti ochlazování. Vedle zrnitého grafitu je matrice tvořena buď perlitem, nebo směsí perlitu a feritu, anebo konečně jen feritem. [5] Tvárná litina s větším obsahem manganu a s matricí
perlitickou má vyšší
pevnostní vlastnosti, feritická tvárná s niţším obsahem manganu a zvýšeným mnoţstvím Si je vhodná pro odlitky, u nichţ se vyţaduje dostatečná plasticita, houţevnatost a dobrá obrobitelnost. Protoţe Si a P zvyšují tvrdost feritické matrice, je výhodné při vyšších poţadavcích na houţevnatost odlitku volit niţší obsah obou přísad. [4] Struktura matrice má rozhodující vliv na mechanické vlastnosti tvárné litiny. [5]
4.5 Struktura litiny s lupínkovým grafitem Chemické sloţení bývá obvykle: C 2,5-4,0 %, Si 1,7-2,5 %, Mn 0,5-1,0 %, P 0,2-0,6 %, S max. 0,15 %. [4] Nejdůleţitější přísadou je křemík, jehoţ obsah v litině závisí na rychlosti chladnutí odlitku. Tenkostěnné odlitky vyţadují vyšší obsah Si, který svým grafitizačním účinkem kompenzuje vliv manganu, popř. síry, ale i vliv rychlosti 17
chladnutí a zaručuje vznik grafitického eutektika i ve slabých průřezech odlitku. Se vzrůstem obsahu Si se bude zvětšovat podíl grafitu v matrici litiny, coţ není výhodné zejména z hlediska pevnostních vlastností. [4]
5
VLASTNOSTI GRAFITICKÝCH LITIN Vlastnosti těchto litin ovlivňuje jak druh matrice, tak tvar, velikost, mnoţství
a rozloţení částic grafitu. Přítomností grafitu v základní kovové hmotě litiny se sniţuje efektivní nosný průřez odlitku. Při namáhání odlitku dochází ke vzniku místních koncentrací napětí, jehoţ špičky mohou 10-20krát převýšit hodnotu jmenovitého napětí. Nejsilněji se vrubový účinek grafitu projevuje u šedé litiny, v níţ je vyloučen ve tvaru hrubých lupínků. Nejvýhodnější je zrnitý grafit v tvárné litině nebo vločkový grafit v temperované litině, porušuje spojitost matrice nejméně a působí tak nejmenším vrubovým účinkem. [4] Strukturu matrice tvoří obvykle perlit, ferit nebo jejich směs. S rostoucím podílem perlitu se zvyšuje pevnost, tvrdost, odolnost vůči opotřebení a klesá plasticita a houţevnatost. Vzrůstající mnoţství feritu se projevuje sníţením pevnostních vlastností a zvýšením plasticity a houţevnatosti. Vyšší obsah křemíku je však příčinou, ţe ani u feritické tvárné litiny nedosahuje např. taţnost hodnot obvyklých u nízkouhlíkových ocelí. Cementit je v grafitických litinách neţádoucí fází, protoţe zvyšuje jejich tvrdost a křehkost a zhoršuje obrobitelnost. U litin s vyšším obsahem fosforu se vyskytuje ternární fosfidické eutektikum nazývané steadit, má nízkou teplotu tání (953 °C), proto při krystalizaci litiny tuhne jako poslední a vyskytuje se na hranicích eutektických buněk. Je tvrdou strukturní sloţkou, která zvyšuje tvrdost a křehkost litiny, zlepšuje však její zabíhavost a odolnost proti opotřebení. [4]
5.1 Vlastnosti litiny s kuličkovým grafitem V závislosti na tloušťce stěny odlitku a poţadované struktuře matrice po odlití se mění mnoţství základních přísad (zejména Si a Mn). Litina s větším obsahem manganu a s matricí politickou má vyšší pevnostní vlastnosti, feritická litina s obsahem manganu pod 0,4 % a zvýšeným mnoţstvím Si je vhodná pro odlitky, u nichţ se vyţaduje dostatečná plasticita (taţnost aţ 20 %), houţevnatost a dobrá obrobitelnost. [4]
18
Tab. 1 Vlastnosti a doporučené použití litin s kuličkovým grafitem [7] Značka EN STN/ČSN
Charakteristika
Pouţitelnost
A min [%]
Rm min [MPa]
Rp0,2 min [MPa]
GJS350-22 (JS 1010) 42 2303
feritická, pro vyšší tlaky a namáhání, pro nízké teploty, pro vyšší teploty
Litina je vhodná pro odlitky s tloušťkou stěny od 5 do 100 mm i víc. Např. na součástky cestovních vozidel a polnohospodářských strojů, na součástky armatur a jiné dynamicky namáhané odlitky.
22
350
220
GJS400-15 (JS 1030) 42 2304
feritická, pro všeobecné pouţití, pro vyšší tlaky a namáhání, pro vyšší teploty
Litina je vhodná pro odlitky s tloušťkou stěny 5 aţ 100 mm i víc. Např. na součástky cestovních vozidel a polnohospodářských strojů, převodové a loţiskové skříně, na tělesa armatur a jiné dynamicky namáhané odlitky.
15
400
250
18
400
250
7
500
320
3
600
370
2
700
420
2
800
480
GJS400-18 (JS 1020) 42 2314
feritická, pro vyšší tlaky, pro vyšší teploty
GSJ500-7 (JS 1050) 42 2305
feritická, pro všeobecné pouţití, pro vyšší tlaky a namáhání, pro vyšší teploty
GJS600-3 (JS 1060) 42 2306
perliticko-feritická, pro vyšší tlaky a namáhání, otěruvzdorná
GJS700-2 (JS 1070) 42 2307
perlitická, pro vyšší tlaky a namáhání, otěruvzdorná
GJS800-2 (JS 1080) 42 2308
perliticko-sorbitická, pro vyšší tlaky a namáhání, otěruvzdorná
Litina je vhodná na odlitky s tloušťkou stěny 5 aţ 10 mm i více. Např. na odlitky součástek cestovních motorových vozidel a polnohospodářských strojů, na součástky armatur jiné dynamicky namáhané odlitky. Litina je vhodná pro odlitky s tloušťkou stěny 5 aţ 100 mm i víc. Např. na součástky cestovních vozidel a polnohospodářských strojů, převodové a loţiskové skříně, na tělesa armatur a jiné dynamicky namáhané odlitky. Litina je vhodná pro odlitky s tloušťkou stěny od 5 do 100 mm a to na součástky namáhané mechanicky a otěrem. Např. na klikové a vačkové hřídele, písty, pístní krouţky, na ozubená kola apod. pro teploty do –100 °C. Litina je vhodná pro odlitky s tloušťkou stěny od 5 aţ 75 mm na součástky více namáhané a odolné vůči otěru. Je vhodná na ozubená kola, klikové a vačkové hřídele, kola čerpadel a rozváděcí kola, brzdové bubny apod. Litina je vhodná pro odlitky s tloušťkou stěny 5 aţ 35 mm pro součástky mechanicky i dynamicky namáhané, konkrétně na ozubená kola, klikové a vačkové hřídele, kola čerpadel a rozváděcí kola, brzdové bubny apod.
19
Tab. 2 Vlastnosti litin s kuličkovým grafitem [7] Jednotka SI
GJS-350-22 (JS 1010) 42 2303
Pevnost ve střihu
σaB
N·mm-2
315
360
405
450
540
630
720
Pevnost v krutu
σtB
N·mm-2
315
360
405
450
540
630
720
Modul pruţnosti (tah a tlak)
E
GN·m-2
169
169
169
169
174
176
176
Mez únavy (ohyb za rotace) bez vrubu
σzdW1
N·mm-2
180
195
210
224
248
280
304
Mez únavy (ohyb za rotace) s vrubem
σzdW2
N·mm-2
114
122
128
134
149
168
182
Pevnost v tlaku
σdb
N·mm-2
-
700
700
800
870
1000
1150
Lomová houţevnatost
KIC
MPa·m0,5
31
30
23
25
20
15
14
Tepelná vodivost
λ
W·k-1·m-1
36,2
36,2
36,2
35,2
32,5
31,1
31,1
Hustota
ρ
kg·dm-3
7,1
7,1
7,1
7,1
7,2
7,2
7,2
Měrný odpor
Ç
μΩ·m
0,50
0,50
0,50
0,51
0,53
0,54
0,54
Vlastnost
Označení
Označení materiálu podle EN a STN/ČSN GJS-400-18 (JS 1020) 42 2314
GJS-450-10 (JS 1040)
GJS-500-7 (JS 1050) 42 2305
GJS-600-3 (JS 1060) 42 2306
GJS-700-2 (JS 1070) 42 2307
GJS800-2 (JS 1080) 42 2308
20
5.2 Vlastnosti litiny s lupínkovým grafitem Na mechanické vlastnosti šedé litiny má největší vliv tvar, velikost a rozloţení grafitu a struktura matrice. Grafitové lístky zmenšují aktivní průřez a vyvolávají vznik místních koncentrací napětí při namáhání součásti. [5] Litina je poměrně křehký materiál a nemá téměř ţádnou taţnost., lom při působení vnější síly nastává proto bez znatelné deformace. [5] Pevnost v tlaku je 3-4krát větší neţ pevnost v tahu a je podstatně méně ovlivňována mnoţstvím a tvarem grafitu, proto je litina mnohem výhodnějším konstrukčním materiálem pro tlaková namáhání neţ pro tahová. [5] Pevnost v ohybu je rovněţ 1,5-2krát větší neţ v tahu a je v podstatě rovněţ funkcí struktury. [5] Tvrdost je u čistě perlitické litiny asi 220 HB. S přibývajícím mnoţstvím feritu nebo grafitu se tvrdost zmenšuje, aţ u litiny čistě feritické klesne na hodnotu asi 120 HB. [5] Velmi důleţitou vlastností šedých litin je dobrá schopnost útlumu. Ve srovnání s ocelí jsou proto litiny v tomto směru podstatně výhodnějším konstrukčním materiálem. Schopnost útlumu závisí na tvaru a velikosti grafitu. [5] Grafitové lupínky ve struktuře sniţují velmi podstatně citlivost litiny k účinkům vrubu. Při dynamickém namáhání je proto často šedá litina rovnocenným, nebo dokonce výhodnějším konstrukčním materiálem neţ ocel. Tato okolnost umoţnila pouţití šedé litiny např. na namáhané klikové hřídele, kde v některých případech dokonce nahradila tvářenou slitinovou ocel. [5]
21
Tab. 3 Mechanické vlastnosti šedých litin [7]
Jednotka SI
Označení
Vlastnost
Označení materiálu dle EN a ČSN EN-GJL-150 (EN-JL 1020) 42 2415
EN-GJL-200 (EN-JL 1030) 42 2420
EN-GJL-250 (EN-JL 1040) 42 2425
EN-GJL-300 (EN-JL 1050) 42 2430
EN-GJL-350 (EN-JL 1060) 42 2435
základní struktura perlitická
ferit/perlit Rm
N·mm-2
150 aţ 250
200 aţ 300
250 aţ 350
300 aţ 400
350 aţ 450
Rp0,1
N·mm-2
98 aţ 165
130 aţ 195
165 aţ 228
195 aţ 260
228 aţ 285
Taţnost
A
%
0,8 aţ 0,3
0,8 aţ 0,3
0,8 aţ 0,3
0,8 aţ 0,3
0,8 aţ 0,3
Pevnost v tlaku
σdb
N·mm-2
600
720
840
960
1080
Pevnost v ohybu
σbB
N·mm-2
250
290
340
390
490
Pevnost ve střihu
σaB
N·mm-2
170
230
290
345
400
Pevnost v krutu
σtB
N·mm-2
170
230
290
345
400
Max. tvrdost
HB
-
170
220
240
260
270
Modul pruţnosti
E
kN·mm-2
78 aţ 130
88 aţ 113
103 aţ 118
108 aţ 137
123 aţ 143
Únavová pevnost v ohybu
σbW
N·mm-2
70
90
120
140
145
Mez únavy, tah-tlak
σzdW
N·mm-2
40
50
60
75
85
320
400
480
560
650
Pevnost v tahu Smluvní mez kluzu
Lomová houţevnatost
KIC
-3/2
N·mm
22
Tab. 4 Mechanické a fyzikální vlastnosti šedých litin [7] Značka EN STN/ČSN GJL-100 (JL-1010) 42 2410
Charakteristika
Pouţití
nelegovaná, pro všeobecné pouţití
Litina je vhodná na tenkostěnné odlitky s tloušťkou stěn od 4 do 15 mm. Např. části pecí, skříně rozvaděčů, na sanitární a smaltované výrobky apod. Pro teploty od -60 do 500°C.
GJL-150 (JL-1020) 42 2415
nelegovaná, pro obecné pouţití
Litina je vhodná pro odlitky s tloušťkou stěn od 5 do 30 mm. Např. na smaltované výrobky, vodovodní tvarovky, součásti textilních a polnohospodářských strojů, na části motorů jako víka, poklopy, loţiskové tělesa, řemenice. Pro teploty od -60 do 500 °C.
GJL-200 (JL 1030) 42 2420
nelegovaná, pro obecné pouţití, pro vyšší teploty nelegovaná, pro vyšší tlaky a namáhání, pro vyšší teploty nelegovaná, pro vyšší tlaky a namáhání, pro vyšší teploty nelegovaná, pro vyšší tlaky a namáhání, pro vyšší teploty
GJL-250 (JL 1040) 42 2425 GJL-300 (JL-1050) 42 2430 GJL-350 (JL-1060) 42 2435
6
Litina je vhodná pro odlitky s tloušťkou stěn 8 aţ 45 mm. Např. na odlitky strojů, armatur, částí pístových motorů, turbín, na válce kompresorů apod. Pro teploty -60 aţ500 °C. Litina je vhodná pro odlitky s tloušťkou stěn od 15 do 70 mm. Např. na válce motorů, součásti turbín, podřadnější ozubená kola, stojany obráběcích strojů, skříně převodů. Pro teploty od -60 do 500 °C. Je vhodná pro odlitky s tloušťkou stěn od 25 aţ do 100 mm. Je vhodná na velmi namáhané odlitky strojních součástí, na stojany těţkých obráběcích strojů, na speciální odlitky, součásti armatur. Pro teploty od -60 do 500 °C. Litina je vhodná pro odlitky s tloušťkou stěn od 40 do 150 mm i víc. Např. na těţké, vysoce namáhané odlitky jednoduchých tvarů s mírnými přechody průřezů, na stojany velmi těţkých strojů, tělesa čerpadel. Pro teploty od -60 do 500 °C.
POUŢITÍ GRAFITICKÝCH LITIN
6.1 Pouţití šedé litiny Na odlitky, kde nejsou kladeny vysoké nároky na pevnost a houţevnatost, ve výrobě strojů, na umělecké odlitky, skříně motorů, kanalizační roury a armatury, odlitky pro stavební průmysl, radiátory ústředního topení ap. [9] V současné době je šedá litina v mnoha oblastech pouţití vytlačována lehkými kovy a tvárnou litinou. [9]
6.2 Oblasti pouţití tvárné litiny Mimořádně dobré mechanické vlastnosti, ekonomicky výhodná výroba a dobrá opracovatelnost jsou důvody širokého pouţití tvárné litiny v průmyslu. Např. výroba tlakových trub v průměrech 60 aţ 2400 mm, trouby se pouţívají na vodní a plynová potrubí. [9] Přibliţně 40-50% světové výroby je spotřebováno v automobilovém průmyslu. Zde jsou postupně nahrazovány výrobně draţší kované, lisované a svařované součásti
23
ekonomicky výhodnějšími odlitky. V současných automobilech jsou např. součásti jako závěsy kol, řízení a dále motorové části jako klikové hřídele, ojnice, vačkové hřídele aj. vyráběny z tvárné litiny. [9] Také těţké, tlustostěnné odlitky, které dříve byly odlévány z ocelolitiny, jako turbínové skříně ap. o váze 300 a více tun jsou vyráběny z GGG. Dále je GGG pouţívána ve strojírenském průmyslu, ve výrobě zemědělských strojů atd. [9]
7
TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ LITIN Tepelným zpracováním se rozumí všechny postupy, při nichţ se vnitřní stavba
kovu záměrně mění pomocí změny teploty. Kaţdý postup tepelného zpracování má obecně 3 části: ohřev na teplotu, výdrţ na teplotě a ochlazování. [5] Při tepelném zpracování mohou probíhat změny struktury v podstatě ve dvou směrech. Jestliţe je struktura ve stavu nerovnováţném, je moţno pouţít postupů směřujících k dosaţení termodynamické rovnováhy, vyjádřené za ideálních podmínek rovnováţným diagramem Fe-Fe3C. Takové postupy označujeme jako ţíhání. [5] V jiných případech je naopak ţádoucí vytvoření struktur nerovnováţných, které vznikají při rychlých změnách teploty. Do této skupiny patří především všechny postupy kalení, vţdy doplněno popouštěním, které vyvolává změny struktury, směřující postupně zpět k rovnováţnému stavu. [5]
7.1 Ţíhání Ţíháním označujeme postupy tepelného zpracování, jejíchţ cílem je dosáhnout rovnováţného stavu nebo se alespoň k němu přiblíţit. [4] 7.1.1 Ţíhání ke sníţení vnitřního pnutí Při ţíhání se odlitky zaváţejí do vychladlé pece a ohřívají se na teplotu 600 aţ 650 °C. Doba setrvání na teplotě je zhruba 1 aţ 2 hodiny, za těchto podmínek se úroveň vnitřních pnutí sníţí přibliţně o 10 aţ 20 %. Ochlazování musí být dostatečně pomalé, aby nová pnutí odlitku nevznikla. [4] Tento způsob ţíhání se pouţívá zejména u tvarově sloţitých odlitků z šedé litiny, u nichţ je poţadována tvarová a rozměrová stálost (např. hlavy válců spalovacích motorů) a u odlitků z tvárné litiny, které nejsou tepelně zpracovány jiným způsobem. [4]
24
7.1.2 Ţíhání ke sníţení tvrdosti Nadměrná tvrdost a ztíţená obrobitelnost šedé nebo tvárné litiny mohou být způsobeny určitým mnoţstvím ledeburitického cementitu nebo velmi jemným lamelárním perlitem tvořícím matrici. [4] Rozpad ledeburitického cementitu probíhá při teplotách 900 aţ 950 °C. Protoţe má však šedá litina vyšší obsah křemíku, je výdrţ na teplotě podstatně kratší. Podle hrubosti stěny odlitku bývá výdrţ asi 2 aţ 3 hodiny. Po výdrţi na teplotě se ochlazuje rychlostí 50 aţ 100 °C za hodinu. Pokles teploty je nutné regulovat tak, aby základní matrici tvořil ferit a perlit, jejichţ poměr musí odpovídat poţadované jakosti litiny. [7] 7.1.3
Normalizační ţíhání Cílem normalizačního ţíhání je zvýšit pevnost a tvrdost odlitků z grafitických
litin. Pouţívá se zejména u tvárné, ale i šedé litiny v případech, kdy je ve struktuře po odlití přítomen ve větším rozsahu ferit. Po austenitizaci za teploty 850 aţ 900 °C se odlitky ochlazují volně na vzduchu, austenit se přemění převáţně v perlit. [4] Normalizační ţíhání se pouţívá zejména u odlitků, které mají mít zvýšenou odolnost proti opotřebení, můţe však slouţit také jako přípravná operace pro následující povrchové kalení odlitku. [4]
7.2 Kalení Cílem kalení je dosáhnout nerovnováţného stavu, kdy matrice litiny je tvořena převáţně martenzitem nebo bainitem. Částice grafitu, jejich tvar, mnoţství a rozloţení, výslednou tvrdost odlitku sniţují. Lupínky grafitu, které působí jako koncentrátory napětí, jsou příčinou značného sklonu šedé litiny k praskání při kalení. [4] 7.2.1 Povrchové kalení Povrchové kalení se pouţívá pro zvýšení odolnosti povrchu odlitků proti opotřebení. Výchozí struktura matrice má být politická, mnoţství feritu nemá přesáhnout 15 %. U šedé litiny má být grafit jemný a rovnoměrně rozloţený v matrici. Pouţívá se povrchové kalení indukční nebo plamenem, kalícím prostředím je voda nebo olej. Hloubka zakalené vrstvy bývá obvykle 1 aţ 5 mm. [4] Povrchové kalení odlitků z grafitických litin je dosti časté. Povrchově se kalí např. vodicí plochy obráběcích strojů, vačky a čepy vačkových hřídelů spalovacích motorů (šedá litina), čepy klikových hřídelů (tvárná litina), zuby ozubených kol aj. [4] 25
7.2.2 Zušlechťování Zušlechťování má význam zejména u tvárné a temperované litiny. Odlitky se kalí většinou do oleje a popouštějí za teploty 550 aţ 650 °C. Ze zušlechtěné temperované litiny se vyrábějí i dynamicky namáhané součásti (např. ojnice automobilových spalovacích motorů). U šedé litiny je cílem zušlechťování především zvýšení pevnosti, tvrdosti a odolnosti proti opotřebení. [4]
7.3 Popouštění Zakalené litiny jsou křehké a náchylné k praskání, hlavně u nástrojových odlitků je nebezpečí vzniku trhlin. Mohou vznikat buď ještě v kalící lázni, nebo po vyjmutí z lázně. Aby se úroveň vnitřních pnutí sníţila a zlepšila se houţevnatost, musí po zakalení vţdy následovat popouštění. Je to ohřev na teplotu 150 aţ 700 °C, která se udrţuje po dobu asi 30 min aţ 10 hodin. Potom následuje ochlazení na teplotu okolí. Ohřev na popouštěcí teplotu musí být postupný, aby nevznikala nová teplotní pnutí. [5]
8
VLIV LUPÍNKOVÉHO GRAFITU NA VZNIK TRHLIN Z makroskopického
hlediska
se
v kovových
materiálech
tvoří
lomy
nejrozmanitějšího vzhledu, který závisí na druhu a struktuře materiálu, rozměrech tělesa, podmínkách
deformace, stavu
napětí
a dalších faktorech. Narušení
meziatomových vazeb kovů můţe z fyzikálního hlediska probíhat jen dvěma mechanismy – skluzem a štěpením. Tyto mechanismy probíhají v konkrétních podmínkách tak, ţe vznikají elementární plošky porušení, které se nazývají fazety, s charakteristickým povrchovým reliéfem. Protoţe mikromechanismus narušení určuje způsob tvorby povrchu litiny, projevuje se v morfologii lomových ploch, kterou potom charakterizujeme podle morfologie povrchu fazet. Existují pouze dva mikromechanismy vzniku trhlin: štěpné porušení a tvárné porušení. [7]
8.1 Štěpení Štěpení je typické pro rozvoj labilních, rychlých trhlin v kovech. V grafitických litinách se běţně vyskytuje narušení feritu štěpením s „riečkovou“ kresbou (Obr. 7). Jde o to, ţe lomová trhlina se nešíří v jedné rovině, ale ve více paralelních, vzájemně se překrývajících rovinách. Rozvrstvením štěpných rovin mohou vznikat i vysoké stupně štěpení (Obr. 8). [7]
26
Druhým charakteristickým znakem fazet štěpení jsou jazýčkové stupně (Obr. 9). Tvorba jazýčkových stupňů na fazetách transkrystalického štěpení souvisí s procesem deformačního rozdělení před korytem štěpné trhliny. Nastává lokální odskok koryta hlavní štěpné trhliny do nového rovinného systému. Koryto hlavní trhliny obtéká sekundární trhlinky v původní rovině štěpu a po spojení hlavní a sekundární trhliny vzniká jazýčkový stupeň. [7]
Obr. 7 Vějířovité uspořádání riečkových stupňů v oblasti reiniciace trhliny (zvětšeno 4000 x) [7]
Obr. 8 Riečkové stupně vzniklé rozvrstvením štěpení plochy (zvětšeno 1000 x) [7]
27
Obr. 9 Fazeta štěpení s jazýčkovými stupni (zvětšeno 2000 x) [7]
8.2 Tvárné narušení struktury U technických kovů vznikají zpravidla na více místech dutiny, které na rozdíl od štěpných trhlin zvětšují svůj rozměr ve směru hlavních tahových napětí intenzivněji, neţ ve směru kolmém k tomuto napětí. Lomová plocha se tvoří spojením jednotlivých dutin. Pro tvárné narušení struktury je proto charakteristická jamková morfologie. [7] V obou uvedených příkladech vzniku trhlin se uplatnilo štěpení nebo tvárné porušení při šíření lomové trhliny napříč zrny, tj. transkrystalicky. Stejné mechanismy se mohou uplatnit i při šíření lomové trhliny po hranách zrn, tj. interkrystalicky. [7] Důleţitou součástí grafitických litin je z mikrofraktografického hlediska samotný grafit, především proto, ţe je lehce štěpitelnou fází a proto výrazně ovlivňuje proces vzniku trhlin grafitických litin. Grafit v litině se můţe narušit jediným mikromechanismem a to štěpením v rovinách. [7] Grafitová kostra lupínkového grafitu má jednotlivé větve vzájemně propojené v různých úrovních. V těchto oblastech se můţe lom iniciovat a šířit bez větších problémů a lomová plocha je vystlaná grafitem (Obr. 10). Lomová trhlina přechází z jedné roviny na další, tím vznikají na fazetách stupně trhlin, které ohraničují oblasti kontinuálního šíření trhliny a projevují se charakteristickou kresbou, která připomíná síť (Obr. 11). [7] Stejný mechanismus vzniku trhlin se přirozeně uplatňuje i u ostatních tvarů grafitu a morfologické odlišnosti lomových ploch vyplývají pouze z jiného prostorového uspořádání štěpných rovin v částici grafitu. [7]
28
Obr. 10 Fazety štěpení lupínkového grafitu (zvětšeno 800 x) [7]
Obr. 11 Fazety štěpení lupínkového grafitu (zvětšeno 2000 x) [7]
29
9
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Během praktické části byly analyzovány dva vzorky. K označení bylo pouţito
pouze číselného značení 1 a 2.
9.1 Měření tvrdosti vzorků číslo 1 a číslo 2 Měření tvrdosti bylo provedeno metodou HRB, tedy zkouškou tvrdosti podle Rockwella (vtlačování ocelové kuličky o průměru 1/16“ silou 10 kp). Naměřené hodnoty jsou uvedeny v tabulce (Tab. 5). Tab. 5 Naměřené hodnoty HRB Druh vzorku Počet měření Vzorek č. 1 [HRB] Vzorek č. 2 [HRB] 1
76
86
2
86
87
3
85
86
4
82
85
5
77
87
6
77
87
7
76
87
8
79
88
9
80
87
10
84
88
Průměr [HRB]
80
87
Rozptyl [%]
13,2
0,8
9.1.1 Vyhodnocení měření Z naměřených hodnot vyplývá, ţe větší tvrdost má vzorek č. 2. Tento vzorek má rozptyl 0,8 z čehoţ lze, usuzovat, ţe má stejnoměrné tepelné zpracování. Vzorek č. 1 má rozptyl 13,2, z čehoţ lze usuzovat, ţe nemá stejnoměrné tepelné zpracování.
30
9.2 Metalografické vyhodnocení vzorku číslo 1 Byl proveden metalografický snímek vzorku, pří zvětšení 400x, viz Obr. 12 9.2.1 Měření mikrotvrdosti vzorku číslo 1 Měření bylo provedeno metodou HV, tedy zkouškou tvrdosti podle Vickerse (vtlačování pravidelného čtyřbokého jehlanu s vrcholovým úhlem 136°, přičemţ se měří úhlopříčky čtverce). Výsledky měření jsou zaznamenány v tabulce (Tab. 6). Tab. 6 Mikrotvrdost vzorku číslo 1 Číslo měření
Průměr
Struktura 1
2
3
4
5
Ferit [HV]
192
214
177
194
190
193
Perlit [HV]
344
292
360
297
384
335
Obr. 12 Metalografický snímek vzorku číslo 1
9.2.1.1 Vyhodnocení měření Jedná se o feriticko-perlitickou litinu s lupínkovým grafitem. Ve vzorku se vyskytují i velké shluky grafitu, materiál se vyznačuje velký mnoţstvím feritu. Tento podíl feritu značně sniţuje tvrdost a způsobuje velký rozptyl naměřených hodnot. Rovněţ hustota perlitu je velmi různorodá. Okolo grafitu se vyskytují kolony feritických zrn. Dle této struktury lze usuzovat, ţe materiál nebyl nijak tepelně zpracován a je ponechán v přírodním litém stavu. Hodnoty mikrotvrdosti jsou uvedeny v tabulce (Tab. 6).
31
9.3 Metalografické vyhodnocení vzorku číslo 2 Byl proveden metalografický snímek vzorku, pří zvětšení 400x, viz Obr. 13 9.3.1 Měření mikrotvrdosti vzorku číslo 2 Měření bylo provedeno stejnou metodou jako u vzorku číslo 1, tedy metodou HV. Výsledky měření jsou zaznamenány v tabulce (Tab. 7). Tab. 7 Mikrotvrdost vzorku číslo 2 Číslo měření
Průměr
Struktura 1
2
3
4
5
Ferit [HV]
258
277
269
216
280
260
Perlit [HV]
570
464
447
366
432
456
Obr. 13 Metalografický snímek vzorku číslo 2
9.3.1.1 Vyhodnocení měření Jedná se o feriticko-perlitickou litinu s lupínkovým grafitem. Ve vzorku se vyskytuje i grafit pavoukovitý, který je rozmístěn v základní kovové matrici růţicovitě. Také v tomto vzorku se vyskytují velké shluky grafitu. Je zde převaha lamelárního perlitu s vysokou disperzitou. Objevují se zde také velká zrna feritu, ale jejich výskyt je spíše ojedinělý. Lamelární perlit se v tomto případě vyznačuje velkou hustotou, z čehoţ vyplývá i vyšší tvrdost vzorku. Dle této struktury usuzuji, ţe vzorek byl normalizačně ţíhán v proudu vzduchu s vyšší intenzitou ochlazování. Hodnoty mikrotvrdosti jsou uvedeny v tabulce (Tab. 7).
32
10 ZÁVĚR Téma bakalářské práce zní Tepelné zpracování litin. Cílem práce bylo přiblíţit problematiku grafitických litin, jejich strukturu, vlastnosti, tepelné zpracování a vyuţití. Převáţnou a zároveň hlavní část mojí práce tvoří teorie zaměřená na všeobecnou problematiku grafitických litin. Vedlejší část práce se zabývá experimentálním měřením dvou na sobě nezávislých vzorků z části vodítek dvou různých bloků motorů nákladních automobilů. Měřením dvou neznámých, makroskopicky zjevně stejných vzorků jsem dospěl ke zcela odlišným výsledkům z oblasti mechanických vlastností zkoumaných materiálů závislých na tepelném zpracování a z oblasti struktury matrice určující, o jaký typ litiny vzorku se jednalo.
33
LITERATURA [1]
DORAZIL, Eduard. Vysokopevná bainitická tvárná litina. 1. vydání. Praha: Československá akademie věd, 1985. 172 s.
[2]
FILÍPEK, Josef. Nauka o materiálu. 1. vydání. Brno: Ediční středisko VŠZ v Brně, 1981. 106 s.
[3]
KONTOROVIČ, I. E. Tepelné zpracování oceli a litiny. 1. vydání. Praha: Průmyslové vydavatelství, Praha, 1952. 264 s.
[4]
PLUHAŘ, Jaroslav, et al. Nauka o materiálech. 1. vydání. Praha: Nakladatelství technické literatury, 1989. 552 s.
[5]
PLUHAŘ, Jaroslav, et al. Strojírenské materiály. 3. nezměněné vydání. Praha: Nakladatelství technické literatury, 1981. 568 s.
[6]
ROUČKA, Jaromír. Metalurgie litin. 1. vydání. Brno: PC-DIR Real, s.r.o. Brno, 1998. 166 s. ISBN 80-214-1263-1.
[7]
SKOČOVSKÝ, Petr; PODRÁBSKÝ, Tomáš. Grafitické liatiny. 1. vydání. Ţilina: EDIS Ţilinská univerzita, 2005. 168 s. ISBN 80-8070-390-6.
[8]
PODRÁBSKÝ, Tomáš; POSPÍŠILOVÁ, Simona. Struktura a vlastnosti grafitických litin [online]. Brno: 16. 11. 2006 [cit. 2010-03-02]. Studijní opory. Dostupné
z
WWW:
. [9]
SEDLÁČEK, Jiří. [online]. 26. 9. 2007 [cit. 2010-03-22]. Litina - stručně. Dostupné z WWW: .
34
SEZNAM POUŢITÝCH OBRÁZKŮ Obr. 1 Pevnost v tahu a tažnost grafitických litin a uhlíkové oceli na odlitky (hodnoty podle ČSN) [4] ................................................................................................................ 10 Obr. 2 Podélný řez dříkem jeřábového háku (zmenšení 2/3, lept. Oberhoffer) [5] ........ 14 Obr. 3 Makrostruktura svarového spoje (zvětšení 2krát, lept. nital) [5] ........................ 14 Obr. 4 Baumannův otisk a makrolept persíranem amonným [5] .................................... 14 Obr. 5 Baumannův otisk příčného řezu plechu jakosti ČSN 41 5323.1. (lept. Oberhoffer) [5] .................................................................................................................................... 15 Obr. 6 Makrostruktura oceli získaná otiskem pomocí tiskařské černi (Oberlík a Ulvr) [5] ........................................................................................................................................ 15 Obr. 7 Vějířovité uspořádání riečkových stupňů v oblasti reiniciace trhliny (zvětšeno 4000 x) [7] ....................................................................................................................... 27 Obr. 8 Riečkové stupně vzniklé rozvrstvením štěpení plochy (zvětšeno 1000 x) [7] ....... 27 Obr. 9 Fazeta štěpení s jazýčkovými stupni (zvětšeno 2000 x) [7] ................................. 28 Obr. 10 Fazety štěpení lupínkového grafitu (zvětšeno 800 x) [7] ................................... 29 Obr. 11 Fazety štěpení lupínkového grafitu (zvětšeno 2000 x) [7] ................................. 29 Obr. 12 Metalografický snímek vzorku číslo 1 ............................................................... 31 Obr. 13 Metalografický snímek vzorku číslo 2 ............................................................... 32
SEZNAM POUŢITÝCH TABULEK Tab. 1 Vlastnosti a doporučené použití litin s kuličkovým grafitem [7] ......................... 19 Tab. 2 Vlastnosti litin s kuličkovým grafitem [7] ............................................................ 20 Tab. 3 Mechanické vlastnosti šedých litin [7]................................................................. 22 Tab. 4 Mechanické a fyzikální vlastnosti šedých litin [7] ............................................... 23 Tab. 5 Naměřené hodnoty HRB ...................................................................................... 30 Tab. 6 Mikrotvrdost vzorku číslo 1 ................................................................................. 31 Tab. 7 Mikrotvrdost vzorku číslo 2 ................................................................................. 32
35
