Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
RENOVACE STROJNÍCH SOUČÁSTÍ ZE ŠEDÉ LITINY Bakalářská práce
Brno 2006
Vedoucí bakalářské práce:
Vypracoval:
Doc. Ing. Vlastimil Chrást, CSc.
Josef Hromada
-2-
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma RENOVACE STROJNÍCH SOUČÁSTÍ ZE ŠEDÉ LITINY vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém soupisu literatury. Souhlasím, aby práce byla uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně a zpřístupněna ke studijním účelům.
V Brně,dne ………………………. Podpis studenta…………………...
-3-
Poděkování Děkuji svému vedoucímu bakalářské práce Doc. Ing. Vlastimilu Chrástovi, CSc. za příkladné vedení. Dále chci poděkovat Ing. Jiřímu Votavovi za obětavou pomoc při práci ve školní laboratoři a Bc. Jitce Rabušicové za jazykovou korekturu a pomoc s překladem anotace.
-4-
Anotace This bachelor‘s thesis deals with the methods of repairs of the machine parts made of grey cast iron. It describes individual technologies of repairs and it evaluates by one chosen technology (arc welding of the grey cast iron without preheating) its accomplishment by various types of welding electrodes Castolin and Esab, used for this technology. The evaluation comes from practical experiences in repairing industry and from the examination of one metallographicaly preparated weld joint. A sample was taken from the weld joint and it was metallographicaly preparated. Then it was photographed in 10x (macro) and 150x (micro) magnification on the metallographic microscope. The aim was the effort to work out the economic-technical evaluation. It appeared that the lowest cost for the repair shows the method with electrodes E - S 723 and E S 716. At the electrode E - S 716 the metallographical preparation of the weld joint was made and the boundaries of transition zone were determined.
-5-
Obsah: 1
ÚVOD................................................................................................................................... - 7 -
2
SOUČASNÝ STAV ............................................................................................................. - 8 2.1
FYZIKÁLNĚ – METALURGICKÉ ZÁKLADY............................................................................- 8 -
2.1.1
Fyzikálně - metalurgické vlastnosti šedé litiny ....................................................... - 8 -
2.1.2
Fyzikální vlastnosti šedé litiny................................................................................ - 9 -
2.2
ČÍSELNÉ ZNAČENÍ ŠEDÉ LITINY DLE ISO NORMY...............................................................- 9 -
2.3
ROZDĚLENÍ ŠEDÉ LITINY DLE ZÁKLADNÍ KOVOVÉ HMOTY .................................................- 9 -
2.3.1
Feritická litina ........................................................................................................ - 9 -
2.3.2
Perlitická litina ..................................................................................................... - 10 -
2.3.3
Feriticko – perlitická litina ................................................................................... - 10 -
2.4
METODY OPRAV SOUČÁSTÍ ZE ŠEDÉ LITINY ......................................................................- 10 -
2.4.1
Svařování.............................................................................................................. - 10 -
2.4.2
Metoda Metallock ................................................................................................. - 13 -
2.4.3
Metoda Masterlock ............................................................................................... - 16 -
3
CÍL PRÁCE....................................................................................................................... - 17 -
4
METODIKA...................................................................................................................... - 17 4.1
OBECNÁ ČÁST ..................................................................................................................- 17 -
4.1.1
Svařování elektrickým obloukem za studena ........................................................ - 17 -
4.1.1.1
Příprava svarových ploch ............................................................................................... - 17 -
4.1.1.2
Vlastní svařování............................................................................................................ - 17 -
4.1.1.3
Typy elektrod používané pro svařování ......................................................................... - 18 -
4.1.2
4.1.1.3.1
Obalované elektrody Castolin [5]........................................................................... - 18 -
4.1.1.3.2
Obalované elektrody Esab [7] ................................................................................ - 19 -
Provedení metalografického výbrusu ................................................................... - 20 -
4.1.2.1
Odběr vzorku.................................................................................................................. - 20 -
4.1.2.2
Broušení ......................................................................................................................... - 21 -
4.1.2.3
Zalití nebo zalisování vzorku do nosného materiálu (Dentacrylu nebo Technovidu) pro jeho
další úpravy .................................................................................................................................... - 22 -
5
4.1.2.4
Leštění ............................................................................................................................ - 22 -
4.1.2.5
Leptání ........................................................................................................................... - 22 -
4.1.2.6
Vyhodnocení struktury vzorku pod metalografickým mikroskopem.............................. - 23 -
VÝSLEDKY PRÁCE........................................................................................................ - 24 5.1
TECHNICKÉ ZHODNOCENÍ ................................................................................................- 24 -
5.2
EKONOMICKÉ ZHODNOCENÍ .............................................................................................- 26 -
6
ZÁVĚR .............................................................................................................................. - 28 -
7
POUŽITÁ LITERATURA............................................................................................... - 29 -
-6-
Seznam obrázků: OBR. Č. 1 – SCHÉMA TEPELNÝCH A METALURGICKÝCH POMĚRŮ U NEVHODNĚ SVAŘENÉ ŠEDÉ LITINY [3] ....- 11 OBR. Č. 2 – SCHÉMA OPRAVY A SVORKA METALLOCK [3] ............................................................................- 14 OBR. Č. 3 – PRŮŘEZ TVAROVOU DUTINOU ČÁSTEČNĚ ZAPLNĚNOU SVORKAMI [3].........................................- 14 OBR. Č. 4 – VLOŽKA MASTERLOCK [3].........................................................................................................- 16 OBR.Č. 5 - METALOGRAFICKÁ BRUSKA DAP-7 .............................................................................................- 21 OBR. Č. 6 - METALOGRAFICKÁ LEŠTIČKA MTH ............................................................................................- 22 OBR.Č. 7 - UNIVERSÁLNÍ METALOGRAFICKÝ MIKROSKOP MTH 2-T .............................................................- 23 OBR. Č. 8 – MAKROSTRUKTURA SVARU PŘI 50-TI NÁSOBNÉM ZVĚTŠENÍ .......................................................- 24 OBR. Č. 9 – TEPELNĚ OVLIVNĚNÁ OBLAST SVARU PŘI 250-TI NÁSOBNÉM ZVĚTŠENÍ......................................- 25 OBR.Č. 10 – ZÁKLADNÍ STUKTURA PŘI 570-TI NÁSOBNÉM ZVĚTŠENÍ ............................................................- 25 -
Seznam tabulek: TABULKA 1 – ROZDĚLENÍ ŠEDÉ LITINY PODLE TŘETÍHO DVOJČÍSLÍ ISO NORMY [2] ........................................- 9 TABULKA 2 – PARAMETRY ELEKTRODY CASTOLIN 27 ..................................................................................- 18 TABULKA 3 – PARAMETRY ELEKTRODY CASTOLIN 2 - 44..............................................................................- 19 TABULKA 4
– PARAMETRY ELEKTRODY E – S716 ........................................................................................- 19 -
TABULKA 5
– PARAMETRY ELEKTRODY E – S 723........................................................................................- 20 -
-7-
1 Úvod Tato práce se zabývá metodami a technologiemi renovace šedé litiny. Snaží se osvětlit
problematiku
a
metodiku
různých
metod
používaných
v současnosti
v opravárenství. Součástí této práce je také ekonomické zhodnocení u vybraných renovačních technologií. Zhodnocení vychází z povinné bakalářské praxe, kterou jsem absolvoval v soukromém podniku zabývajícím se hlavně generálními opravami vznětových motorů a je tedy pouze orientační. V tomto případě jsem se zaměřil na zhodnocení oprav výfukových přírub traktorů Zetor, konkrétně motorů UŘ 1, u nichž dochází často k poškození příruby v místě uchycení příruby k bloku motoru. Poškození je prasklina litinové příruby, která se v tomto případě svařuje obalovanou elektrodou, obloukovým svařováním.
-8-
2 Současný stav 2.1 Fyzikálně – metalurgické základy 2.1.1 Fyzikálně - metalurgické vlastnosti šedé litiny Šedá litina je slitina železa, uhlíku, křemíku, manganu a dalších prvků. Uhlík přesahuje maximální hodnotu rozpustnosti austenitu (nad 2%, obvykle 2,8 – 4%) a jeho velká část je vyloučena ve formě grafitu. Dále někdy šedá litina obsahuje legovací prvky, které mají zlepšit její vlastnosti. Jsou to hlavně žáruvzdornost a odolnost proti korozi v chemicky agresivních prostředích. Strukturu tvoří tzv. matrice (základní kovová hmota), která může být tvořena perlitem nebo feritem nebo pouze feritem a perlitem. Cementit je v matrici nežádoucí. Ve struktuře se dále vyskytuje ternární fosfidické eutektikum tzv. steadit (Fe – Fe3C – Fe3P) tvoří ostrůvky charakteristického tvaru. Jeho přítomnost je způsobena vyšším obsahem fosforu, který do litiny přechází ze surových želez. Zlepšuje schopnost zaplňovat formu (zabíhavost), ale zároveň zvyšuje křehkost. V matrici jsou obsaženy i sirníky manganu, které obecně zhoršují vlastnosti litin. Množství grafitu závisí na chemickém složení a způsobu odlévání. Vyloučený grafit nabývá různých tvarů a velikostí. U šedé litiny je vyloučen ve tvaru lupínků, které zmenšují aktivní průřez materiálu, což způsobuje nerovnoměrné rozdělení napětí při namáhání součásti. Vznikají tak místní koncentrace napětí, které jsou tím větší, čím delší jsou lupínky a tím větší, čím je poloha lupínků kolmější ke směru napětí. Díky tomu má šedá litina oproti oceli poměrně malou pevnost v tahu (od 100 do 250 MPa). Pevnost v tlaku je však 1,5 – 2krát vyšší než v tahu, a proto se lépe využije u součástí namáhaných tlakem. Další dobrou vlastností šedé litiny je schopnost tlumení chvění, čehož se využívá u konstrukcí obráběcích strojů apod. Šedá litina se vyrábí v kuplovnách přetavením surového šedého železa, zbytkového materiálu z kuploven, litinového a ocelového šrotu ze sběru. Jako palivo se používá koks.[2]
-9-
2.1.2 Fyzikální vlastnosti šedé litiny Měrná hmotnost: 7000 kg·m-3 Teplota tání: 900 až 1100 ˚C Teplota tavení: 1100 až 1300 ˚C
2.2 Číselné značení šedé litiny dle ISO normy Tvoří ho pouze šest čísel, protože se zpravidla neprovádí další tepelné zpracování (další dvojčíslí). První dvojčíslí: 42 Druhé dvojčíslí: 24 Třetí dvojčíslí: viz. Tab1 tabulka 1 – rozdělení šedé litiny podle třetího dvojčíslí ISO normy [2]
Druh slitiny železa na Třetí
Význam třetího dvojčíslí
odlitky
dvojčíslí
Šedá litina nelegovaná
00 – 49
Pevnost v tahu v desítkách MPa
50 – 59
Pořadové číslo slitin se speciálními vlastnostmi
Šedá litina legovaná a 60 – 79
Pořadové číslo nízko a středně legovaných šedých
zvláštní sliny železa na
litin a slitin železa na odlitky
odlitky
80 – 89
Pořadové číslo vysokolegovaných šedých litin a zvláštních slitin železa na odlitky a hlavními legujícími prvky Mn, Si, Al
90 - 99
Pořadové číslo vysokolegovaných šedých litin a zvláštních slitin železa na odlitky a hlavními legujícími prvky Cr, Ni, Mo
2.3 Rozdělení šedé litiny dle základní kovové hmoty 2.3.1 Feritická litina Vzniká v případě, že litina chladne pomalu a má dostatečně vysoký obsah přísad pro vytvoření grafitu, a to především křemíku, kterého musí být více než manganu (podporuje vznik cementitu). Uhlík je kompletně vyloučen ve formě grafitu v hrubých
- 10 -
lupíncích. Tato litina je velmi měkká a málo pevná a tudíž nevhodná jako konstrukční materiál.[2]
2.3.2 Perlitická litina Rychlost chladnutí je pomalejší než u feritické litiny a obsah grafitizačních přísad (hlavně křemíku) a uhlíku je menší. Tím se snižuje množství a hrubost grafitu, litina je pevnější. Grafitizace však neproběhne úplně a ve struktuře je volný cementit. Litina je pak tvrdá a hůř obrobitelná. Je však na rozdíl od feritické litiny poměrně dobrým konstrukčním materiálem.[2]
2.3.3 Feriticko – perlitická litina Je to přechod mezi feritickou a perlitickou šedou litinou. Vzniká, když je rychlost chladnutí menší než u feritické a obsah grafitizačních prvků převažuje. Grafitové lupínky jsou mezi feritem a zbývající prostor je vyplněn perlitem. Je obecně měkčí a ne tak pevná jako perlitická litina. Jako konstrukční materiál je méně vhodná.[2]
2.4 Metody oprav součástí ze šedé litiny 2.4.1 Svařování Oprava (renovace) je soubor činností , které vedou k obnovení provozuschopnosti součásti nebo k její bezvadnosti a délce technického života. Nejdůležitějším aspektem při volbě renovace je ekonomické zhodnocení situace. V případě, že náklady na renovaci převýší náklady na pořízení nové součásti, případně pořízení celé skupiny (řetězové kola + řetěz…) součástí, volíme přirozeně ekonomicky efektivnější variantu. V nákladech musí být započítány všechny položky včetně přesčasových mezd zaměstnanců, energií, dopravy, režií apod.. U součástí z šedé litiny se nejčastěji používají renovační metody pro trhliny a lomy, které se vyskytují u materiálů s malou tažností. U materiálů houževnatých s tažností vyšší dochází ke vzniku deformací. Trhliny a lomy vznikají nevhodným typem konstrukce, technologií výroby a provozními podmínkami, které způsobují nadměrné namáhání vnějšími silami a namáhání tepelné.
- 11 -
Podle typu namáhání rozdělujeme lomy na: Statické Tyto lomy vznikají u součástí namáhaných na tah, tlak, ohyb, smyk, krut. Dynamické Tyto lomy vznikají u součástí namáhaných rázy a namáhaných cyklicky. Postup opravy platí nejen pro šedou litinu, ale i pro temperovanou a tvárnou litinu. U šedé litiny je však nejsložitější. Šedou litinu můžeme označit jako obtížně svařitelný materiál. Obecně má šedá litina vysoký obsah uhlíku, který je vyloučen ve formě grafitu a v základní hmotě. Základní hmota se vlastnostmi neliší od základní hmoty uhlíkové oceli. Při svařování dochází k mnoha nepříznivým jevům, které působí velmi negativně na výsledný svar. Těmto jevům musíme zabránit nebo je alespoň minimalizovat, aby se materiál svaru vlastnostmi co nejvíce blížil základnímu materiálu. Svar i materiál by ideálně dohromady měly tvořit homogenní strukturu. U špatně svařených součástí dochází k vytváření tzv. pásem (obr. č. 1), které jsou svou strukturou, fyzikálními i metalurgickými vlastnostmi velice odlišné (tvrdší a křehčí). To zapříčiňuje, že svar je v okolí o hodně křehčí než jádro a nesplňuje tak původní požadavky kladené na materiál svařované součásti.
Obr. č. 1 – schéma tepelných a metalurgických poměrů u nevhodně svařené šedé litiny [3]
Pásmo A: jedná se o oblast , kde se teplota při svařování nezvýšila nad teplotu Ac1 . Dojde tedy pouze k částečné rekrystalizaci. Po vychladnutí bude materiál pásma shodný s šedou litinou. Pásmo B: jedná se o oblast , kde se teplota při svařování zvýšila nad teplotu Ac1, ne však nad teplotu likvidu.
- 12 -
V oblasti pásma, kde bude materiál pouze v tuhém stavu (pod teplotou solidu), zůstane grafit neovlivněn, ovšem matrice přejde do austenitického stavu a šedá litina se odvodem tepla do okolního materiálu zakalí. V oblasti pásma, kde bude materiál ve stavu tuhém i tekutém (nad teplotou solidu a současně pod teplotou likvidu), dojde k oduhličování materiálu a k oxidaci některých prvků. Při ochlazení původní šedá litina vykrystalizuje v metastabilní soustavě v litinu bílou – zkřehne a ztvrdne. Tato oblast je nejnáchylnější ke vzniku trhlin. Pásmo C: jedná se o oblast čisté taveniny, kde se mísí materiál svařované součásti s materiálem elektrody. Od okraje pásma směrem k ose svaru se začíná snižovat obsah uhlíku, což má za následek snižování tvrdosti materiálu pásma. Pásmo D: jedná se o oblast čisté taveniny, kde se materiál svařované součásti vyskytuje v malém množství. Směrem k ose svaru ubývá obsahu uhlíku mnohem rychleji, než u pásma C a úměrně tomu se snižuje i tvrdost. Materiál pásma je však ještě stále mírně zakalený. Pásmo E: jedná se o oblast čisté taveniny, kde se již prakticky nevyskytuje materiál svařované součásti, je přítomen pouze přídavný materiál elektrody. Obsah uhlíku je tak malý, že je pásmo měkké a nezakalené. Tvrdé a křehké přechody bílé litiny v pásmech odstraníme nebo omezíme: •
předehřevem na 600 až 700˚C a po svaření následným pomalým ochlazováním
•
přídavkem prvků podporujících grafitizaci (křemíku, niklu a mědi) do elektrody
•
žíháním – v peci nebo nanášením další housenky, která ho zajistí vlastním teplem
Vnitřní pnutí ve svaru odstraníme nebo omezíme: •
předpětím v místě svaru vhodným upnutím součásti nebo nahřáním ve vhodném místě
•
snahou co možná nejméně tepelně ovlivnit materiál tím, že použijeme metodu svařování elektrickým obloukem, zvolíme tenkou elektrodu, zatížíme ji nízkým proudem, zvolíme nepřímou polaritu (elektroda: + pól), klademe pouze krátké housenky kaskádovitě na sebe s přestávkami – dojde k vyžíhání
•
rovnoměrně předhřejeme na 200 až 700˚C
- 13 -
•
prokováním housenky ihned po svařování, kdy prokováváme housenky pouze do 800˚C. Snížíme tím vnitřní tahové pnutí, které vzniká při tepelné dilataci.
•
volbou přídavného materiálu s malou mezí kluzu a velkou tažností. Pevnost by měla být srovnatelná s pevností svařované součásti.[3]
Svařováním vytváříme pevná a nerozebíratelná spojení. Spojení je trvanlivé a těsné. Technologie je produktivní, ale je třeba kvalifikovaných pracovníků. Zdrojem tepla je elektrický oblouk, který vzniká průchodem stejnosměrného nebo střídavého proudu při daném napětí mezi elektrodou a svařovaným materiálem popř. mezi dvěma elektrodami. Jako zdroj napětí slouží buď třífázový motor spojený s dynamem, který vytváří stejnosměrný proud, nebo transformátor, který vytváří proud střídavý. Dnes se k svařování používá většinou stejnosměrný proud, ale v blízké budoucnosti se bude přecházet zřejmě na proud střídavý – je levnější než stejnosměrný. Proud totiž nemusíme usměrňovat a tak na 1 kg svaru spotřebujeme 3,5 kWh, namísto 5,5 kWh u proudu stejnosměrného. Pro svařování používáme tedy stejnosměrného čí střídavého proudu s napětím o velikosti 10 až 70 V a intenzitě 30 až 500 A, někdy i více. Nemůžeme tedy odebírat proud přímo ze sítě, ale musíme použít výše zmiňované zdroje (dynamo nebo transformátor).[2] Polaritu (není-li výrobcem elektrody předepsáno jinak) volíme nepřímou, to znamená, že na elektrodě je pól kladný a na svařovaném materiálu pól záporný. Na kladném pólu se totiž soustřeďuje asi 70% tepla, což způsobuje rychlejší odtavování elektrody a menší natavení, menší vypalování uhlíku i jiných legujících prvků a tepelné ovlivnění základního materiálu. Proud volíme vždy na spodní hranici proudového rozsahu tj. 30 A na 1 mm průměru elektrody, což také přispěje ke snížení ovlivnění základního materiálu. Elektrody by měly mít co nejmenší průměr (další snížení ovlivnění základního materiálu), musí být dobře vysušeny, musí mít nepoškozený obal.[3]
2.4.2 Metoda Metallock Jedná se o čistě mechanickou opravu bez jakýchkoliv tepelných zásahů do materiálu součásti. Mechanická únosnost se obnoví svorkami Metallock a požadovaná těsnost pomocí kolíčků, které vyplní zbývající místa trhlin nebo prasklin mezi svorkami
- 14 -
(Obr. 2). Metoda zajišťuje pevné a těsné spojení za vysokého mechanického i tepelného namáhání . Opravy lze provádět pouze u odlitků se stěnou silnější než 4 mm.
Obr. č. 2 – schéma opravy a svorka Metallock [3]
Obr. č. 3 – průřez tvarovou dutinou částečně zaplněnou svorkami [3]
Technologie opravy: •
zjištění rozsahu poškození, jeho označení
•
zjištění tloušťky stěny (hloubky trhliny) součásti v místě poškození, případně změny této tloušťky po celé délce poškození
•
stanovení velikosti svorek Metallock pro opravu součásti
•
stanovení počtu a délky stehů
•
rozvržení a umístění stehů. Stehy jsou v pořadí delší, kratší, delší atd.. Jde o rovnoměrnější rozložení zatížení v součásti a snaha o to, aby se nekoncentrovalo v jedné linii (konce stehů).
•
vyvrtání děr v místě stehů v místě trhliny do dvou třetin tloušťky stěny
- 15 -
•
usazení vrtacích šablon pomocí kolíčků příslušných průměrů kolmo na poškození (trhlinu) součásti
•
vyvrtání jednoho otvoru v každé šabloně do dvou třetin tloušťky stěny
•
zafixování polohy šablony pomocí druhého kolíčku
•
vyvrtání zbytku děr dle šablon do stejných hloubek
•
vyrovnání dna všech děr kolmo broušeným vrtákem do stejné hloubky
•
speciálně upraveným křížovým sekáčem odsekáme můstky vzniklé mezi dírami, čímž vznikne dutina, která je shodná s odpovídající svorkou (obr. 3)
•
vyčištění dutiny stlačeným vzduchem
•
vložení a zaklepání svorky na dno dutiny
•
zatemování svorky v dutině přiměřeně silnými údery
•
postupné vkládání zatemovávání dalších svorek až do chvíle, kdy vrchní svorka zčásti vyčnívá z dutiny na povrch součásti
Po zhotovení všech stehů se vrchní svorky přebrousí do roviny s povrchem součásti. V případě, že má být spoj těsný, musíme vyplnit trhliny mezi stehy kolíčky. Technologický postup je následující: •
vyvrtání díry stejného průměru, jako díry pro svorky Metallock, tak, aby zasahovala částečně do svorky, ale aby ji nepřerušila
•
v daných roztečích se mezi svorkami vyvrtají díry po celé délce trhliny
•
vyřezání závitů do děr
•
vyčištění závitů stlačeným vzduchem
•
zašroubování svorníků se závitem po celé délce
•
vyvrtání děr mezi svorníky. Díry je z části překrývají.
•
vyřezání dalších závitů do vzniklých děr mezi svorníky a zašroubování dalších svorníků
•
zarovnání povrchu na povrch součásti
Při požadavku vysoké těsnosti spoje se může použít místo svorníků hladkých kolíčků, které se postupně vkládají a zatemovávají do děr. Tento postup je však pracnější a zdlouhavější.[3]
- 16 -
2.4.3 Metoda Masterlock Tato metoda se používá pro opravy trhlin, kde se hromadí místní napětí od provozního namáhání součásti. Jsou to vložky z velmi pevné oceli tvaru obdélníku, L, U, E, I…. Do požadovaných rozměrů se obrábí, nejčastěji frézují. Součást se v místě poškození obrobí stejným způsobem jako vložka.
Obr. č. 4 – Vložka Masterlock [3]
Technologický postup: •
opravovaná součást se dobře upne a poškozené případně oddělené díly se zafixují ve správné poloze
•
narýsování tvaru vložky na ocelovou desku a zároveň na opravovanou součást
•
vyvrtání dvou vhodně umístěných děr do ocelové desky
•
ocelová deska se položí na poškozené místo součásti. Součást se svrtá s ocelovou deskou na vyznačeném místě.
•
do dvou vzniklých otvorů se vyřežou závity a deska se přišroubuje
•
rozměří se rozteče děr po obvodu vložky a kolmo na součást se vyvrtají otvory
•
po svrtání se deska odšroubuje a opracuje se do poloviny vyvrtaných děr. Stejně obrobíme i součást v místě poškození tak, aby do sebe půlky děr na okrajích desky a poškozené součásti přesně lícovaly.
- 17 -
•
vyřezání závitů do vzniklých děr, zašroubování svorníků
•
vyvrtání dalších děr mezi svorníky, vyřezání dalších závitů a zašroubování posledních svorníků
Vložku je možno dále ještě zafixovat svorkami Metallock.[3]
3 Cíl práce Cílem práce je: 1. zhodnotit možnosti oprav součástí ze šedé litiny 2. u vybrané technologie (svařování elektrickým obloukem za studena) provést technicko – ekonomické zhodnocení výsledků
4 Metodika 4.1 Obecná část 4.1.1 Svařování elektrickým obloukem za studena Pro svařování jsme zvolili elektrody o průměru 3,5 mm. Proud pro svařování byl 120 A.
4.1.1.1 Příprava svarových ploch Pečlivě odstraníme všechny hrubé nečistoty a drobné úlomky svařovaného materiálu v okolí a na svařovaných plochách, které vznikly odlomením a mohly by snížit kvalitu svaru. Je nutné se pokusit o maximální odmaštění.[3]
4.1.1.2 Vlastní svařování •
Svařování provádíme v krátkých housenkách odpovídajících tloušťce svařovaného materiálu.
•
Ihned po svařování provádíme temování nosem (oblou hranou) kladiva.
•
Další housenku provádíme po vychladnutí svaru na teplotu okolo 70 °C.[3]
Svary byly zhotoveny na poškozené přírubě výfuku traktoru Zetor, který se vyrábí z šedé litiny ČSN 42 2415 elektrodami Castolin a Esab.
- 18 -
4.1.1.3 Typy elektrod používané pro svařování 4.1.1.3.1 Obalované elektrody Castolin [5] Castolin 27 DIN 8573:E Fe - BG 23. Tyto elektrody jsou vhodné především pro staré, tepelně "unavené" součásti a jako podklad (polštářování) před vlastním svařováním. Svar má barvu šedé litiny, je tepelně zpracovatelný a má jemnou kresbu, je použitelná jak pro svařování s nebo bez předehřátí. Parametry svařování: Mez kluzu: 220 MPa Pevnost: 400 MPa Tvrdost po svařování: 54 Hrc Pozice: všechny Proud: + Cena za ks: 28 Kč Parametry elektrody: tabulka 2 – parametry elektrody Castolin 27
Rozměry [mm]
Proud [A]
Váha [ks/kg]
Min. balení [kg]
2,5 x 350
50 - 80
53
5,0
3,2 x 350
70 - 110
33
5,0
Castolin 2 - 44 DIN 8573: E Ni - BG 12. Elektrody mají bazicko - grafitový obal na bázi niklu. Je to nejuniversálnější elektroda této značky, slouží pro opravy staré promaštěné šedé litiny za studena. Má klidný pravidelný oblouk bez rozstřiku, lehce stravitelnou strusku a lehce opracovatelné svary. Můžeme vařit i ocelolitinu, temperovanou nebo tvárnou litinu. Elektroda je vhodná i ke svařování materiálů měď – litina. Parametry svařování: Mez kluzu: 300 MPa Pevnost: 330 MPa Tvrdost po svařování: 100 HB Pozice: všechny Proud: -/~ Cena za ks: 63,40 Kč
- 19 -
Parametry elektrody: tabulka 3 – parametry elektrody Castolin 2 - 44
Rozměry [mm]
Proud [A]
Váha [ks/kg]
Min. balení [kg]
2,5 x 250
55 - 90
73
2,5
3,2 x 350
70 - 120
32
5,0
4,0 x 350
110 - 145
21
5,0
4.1.1.3.2 Obalované elektrody Esab [7] Jde o svařování elektrickým obloukem. Používají se obalované elektrody se speciálním obalem, a to elektrody: E - S 716 ČSN 05 5010 (DIN 8573): E NiFe - S (E NiFe - BG 13). Elektrody se používají pro opravy odlitků za studena ze šedé a tvárné litiny, zejména bloků motorů, čerpadel, dílů strojů…Svarový kov obsahuje 50% niklu a 50% železa. Parametry svařování: Mez kluzu: 300 MPpa Pevnost: 400 MPa Pozice: všechny Proud: + Cena za ks: 23,50 Kč Parametry elektrody: tabulka 4 – parametry elektrody E – S716
Rozměry [mm]
Proud [A]
Váha [ks/kg]
2,5 x 250
65 - 90
114
3,2 x 300
95 - 115
57
4,0 x 350
120 - 150
29
E - S 723 ČSN 05 5010 (DIN 8573): E NiFe - S (E NiFe - BG 13). Elektrody se používají pro opravy odlitků především ze šedé nebo feritické tvárné litiny bez předehřevu…Svarový kov obsahuje 90% niklu a 7% železa. Parametry svařování: Mez kluzu: 250 MPa Pevnost: 300 MPa
- 20 -
Pozice: všechny Proud: + Cena za ks: 23,50 Kč Parametry elektrody: tabulka 5 – parametry elektrody E – S 723
Rozměry [mm]
Proud [A]
Váha [ks/kg]
2,5 x 300
60- 90
83
3,2 x 350
86 - 110
44
4,0 x 350
110 - 140
27
Svařování provedl kvalifikovaný svářeč, dle výše uvedené metodiky. Po zavaření a vychladnutí svaru provedeného elektrodou E - S 716 ČSN 05 5010 se tento svar v profilu rozřízl (za vydatného chlazení, aby nedošlo k tepelnému ovlivnění) a následně se provedl metalografický výbrus.
4.1.2 Provedení metalografického výbrusu Metalografický výbrus jsme prováděli ve školní laboratoři. Postup byl následující: 1. odběr vzorku 2. zalití nebo zalisování vzorku do nosného materiálu (Dentacrylu nebo Technovidu) pro jeho další úpravy 3. broušení vzorku 4. leštění vzorku 5. leptání vzorku 6. vyhodnocení struktury vzorku pod metalografickým mikroskopem
4.1.2.1 Odběr vzorku Pomůcky: pracovní stůl se svěrákem, ruční rámová pilka na železo, ruční půlkulatý pilník na železo, štětec, nádoba s vodou Podmínky: teplota vzduchu 20 °C, vlhkost 60% Vzorek jsme z výfukové příruby odebrali pomocí ruční rámové pilky. Při odběru je nutné zachovat původní strukturu vzorku a proto nesmí dojít k jeho tepelnému ovlivnění.
- 21 -
Odříznutí jsme tedy provedli za neustálého chlazení vodou, takže teplota vzorku a okolí nepřesáhla 70 °C. Vzorek jsme následně pilníkem zbavili ostřin.
4.1.2.2 Broušení Pomůcky: metalografická bruska DAP-7 (obr. 5), sada brusných pláten Podmínky: teplota vzduchu 20 °C, vlhkost 60% V naší laboratoři se používá na broušení metalografická bruska DAP-7. Tento stroj se skládá ze dvou funkčních částí. První z nich je samostatný brusný kotouč na kterém je připevněno brusné plátno. Rychlost tohoto kotouče je 125 a 250 ot/min. Na toto plátno je po celou dobu broušení přiváděna voda z klasické vodovodní sítě. Takto můžeme brousit vzorky buď ručně nebo se mohou upnout do hlavice, která vykonává samostatný rotační pohyb proti směru otáčení brusného plátna. Na tomto stroji se provádí broušení do doby, než zmizí ze vzorku poslední rýhy. K broušení jsme postupně použili brusná plátna s brusivem zrnitosti, 120, 220, 320, 500, 800, 1 200. Při broušení jsme postupně přecházeli od nejhrubšího plátna (120) až po to nejjemnější (1 200). Celý proces tohoto broušení se prováděl za mokra, přičemž užitou kapalinou byla voda. Při broušení, ale i leštění se kromě odstraňování z povrchu vzorku uskutečňuje i deformace tohoto vzorku. Materiál je totiž do určité hloubky tvářen. Na povrchu vzorku vzniká souvislá vrstva deformovaného kovu. Nazývá se Beilbyho vrstva. Popsaný jev je velmi nežádoucí. Odstranili jsme ho přebroušením vzorku.
Obr.č. 5 - metalografická bruska DAP-7
- 22 -
4.1.2.3 Zalití nebo zalisování vzorku do nosného materiálu (Dentacrylu nebo Technovidu) pro jeho další úpravy Tento krok nebyl nutný, protože vzorek byl dostatečně velký a tvarově vhodný jak pro upnutí do brousícího stroje, tak pro upnutí do metalografického mikroskopu.
4.1.2.4 Leštění Pomůcky: metalografická leštička MTH (obr. 6), diamantová brusná pasta Podmínky: teplota vzduchu 20 °C, vlhkost 60% Diamantová pasta se skládá ze syntetického diamantového prášku přesně tříděného sedimentací na určitou zrnitost, a to od 1 µm do 7 µm, a z vhodného pojiva. Jako první jsme opět použili nejhrubší frakci 7 µm a postupovali k té nejjemnější frakci 1 µm. Leštění bylo provedeno za sucha a při přechodu mezi jednotlivými zrnitostmi brusné pasty jsme vzorek opláchli lihem. Leštění jsme opakovali až do úplného odstranění rýh na vzorku.
Obr. č. 6 - metalografická leštička MTH
4.1.2.5 Leptání Pomůcky: 2% roztok kyseliny dusičné v alkoholu (nital) Podmínky: teplota vzduchu 20 °C, vlhkost 60% Pro zviditelnění struktury vzorku jsme použily kyselinu, kterou jsme rovnoměrně nanesli na vzorek. Poté jsme vzorek omyli lihem a nechali vyschnout.
- 23 -
4.1.2.6 Vyhodnocení
struktury
vzorku
pod
metalografickým
mikroskopem Pomůcky: metalografický mikroskop Meophot 2 a universální metalografický mikroskop MTH 2-T (obr. 7), digitální fotoaparát Olympus Camedia 50-60 Podmínky: teplota vzduchu 20 °C, vlhkost 60% Vzorek jsme vložili do mikroskopu a pořídili několik fotografií makro a mikro struktury (viz. Kap. 5.2).
Obr.č. 7 - universální metalografický mikroskop MTH 2-T
- 24 -
5 Výsledky práce 5.1 Technické zhodnocení Na makro snímku výbrusu vzorku svaru zvětšeném padesátkrát (obr. 8) vidíme , že svar je poměrně mělký a vyplňuje asi 1/3 praskliny. Svar je v nejširším místě profilu 9 mm široký. Kořen svaru není provařen. Šířka neprovařené dutiny kořenu svaru je přibližně 0,3 mm.
Obr. č. 8 – makrostruktura svaru při 50-ti násobném zvětšení
Další snímek (obr.9) je pořízen při 250-ti násobném (mikro) zvětšení. Můžeme zde vidět přechodové pásmo mezi svarovým kovem (horní část snímku) a svařovaným materiálem – šedou litinou (spodní část snímku). V této přechodové oblasti se smísily oba materiály a vytvořily tak nerozebíratelný spoj. Pásmo se směrem doleva zvětšuje, zde zřejmě došlo k intenzivnějšímu natavení a smísení svarového a svařovaného kovu. Hloubka přechodového pásma se pohybuje zhruba od 0,1 do 0,16 mm.
- 25 -
Obr. č. 9 – tepelně ovlivněná oblast svaru při 250-ti násobném zvětšení
Na posledním snímku (obr. 10) je mikrostruktura základního svařovaného materiálu-šedé litiny. Snímek je pořízen při 570-ti násobném zvětšení a můžeme na něm pozorovat průřezy grafitových lupínků typických pro strukturu šedé litiny.
Obr.č. 10 – základní stuktura při 570-ti násobném zvětšení
- 26 -
5.2 Ekonomické zhodnocení Byly vyhodnoceny náklady na jednotlivé zhotovení svarů pro uvedené typy elektrod Castolin a Esab. Tyto náklady jsou porovnány s přibližnou cenou nové součásti. Sazby svářeče a čas svařování jsou orientační. 1. Elektroda: E - S 716 ČSN 05 5010 Metoda svařování: ROE 111 Proud: stejnosměrný, nepřímá polarita (elektroda +) Náklady: Sazba svářeče: 414 Kč/ h Čas: jeden svar i s přípravou 15 min Cena práce: 103,50 Kč/ 1 svar Cena elektrody: 23,50 Kč/ ks Celkem: 127 Kč Cena nové výfukové příruby na čtyřválcový motor: 300 Kč Zhodnocení: Cena jednoho svaru provedeného jednou elektrodou je přibližně 2,36 krát menší než cena nového výfukového potrubí. 2. Elektroda: E - S 723 ČSN 05 5010 Metoda svařování: ROE 111 Proud: stejnosměrný, nepřímá polarita (elektroda +) Náklady: Sazba svářeče: 414 Kč/ h Čas: vařil jeden svar i s přípravou 15 min Cena práce: 103,50 Kč/ 1 svar Cena elektrody: 23,50 Kč/ ks Celkem: 127 Kč Cena nové výfukové příruby na čtyřválcový motor: 300 Kč Zhodnocení: Cena jednoho svaru provedeného jednou elektrodou je přibližně 2,36 krát menší než cena nového výfukového potrubí.
- 27 -
3. Elektroda: Castolin 2 - 44 DIN 8573 Metoda svařování: ROE 111 Proud: střídavý, přímá polarita (elektroda -) Náklady: Sazba svářeče: 414 Kč/ h Čas: vařil jeden svar i s přípravou 15 min Cena práce: 103,50 Kč/ 1 svar Cena elektrody: 63,40 Kč/ ks Celkem: 167 Kč Cena nové výfukové příruby na čtyřválcový motor: 300 Kč Zhodnocení: Cena jednoho svaru provedeného jednou elektrodou je přibližně 1,8 krát menší než cena nového výfukového potrubí. 4. Elektroda: Castolin 27 DIN 8573 Metoda svařování: ROE 111 Proud: střídavý, nepřímá polarita (elektroda +) Náklady: Sazba svářeče: 414 Kč/ h Čas: vařil jeden svar i s přípravou 15 min Cena práce: 103,50 Kč/ 1 svar Cena elektrody: 28 Kč/ ks Celkem: 131,50 Kč Cena nové výfukové příruby na čtyřválcový motor: 300 Kč Zhodnocení: Cena jednoho svaru provedeného jednou elektrodou je přibližně 2,28 krát menší než cena nového výfukového potrubí.
- 28 -
6 Závěr V této bakalářské práci jsem porovnával náklady na opravu výfukové příruby k vznětovému motoru UŘ 1 traktoru Zetor, která se odlévá z šedé litiny. Příruba byla opravena svařováním elektrickým obloukem za studena, přičemž byly vyčísleny náklady u použitých obalovaných elektrod. Byly použity elektrody: Esab: E - S 716 a E - S 723 Castolin: Castolin 2 – 44 a Castolin 27 Ze zjištěných nákladů vyplývá, že ze všech porovnávaných elektrod jsou levnější elektrody Esab, a to jak elektroda E - S 716, tak elektroda E - S 723. U všech elektrod byl postup svařování stejný, až na elektrodu Castolin 2 – 44, u které používáme přímou polaritu (elektroda -). Tato elektroda je nejdražší a při použití více jak jednoho kusu vyjdou náklady na opravu vyšší než náklady na pořízení nové součásti (výfukové příruby UŘ 1). Nutno však podotknout, že nebylo provedeno porovnání technické (kvalitativní), které bylo vyhodnoceno pouze u jednoho svaru zhotoveného elektrodou E - S 716 prostřednictvím metalografického výbrusu (viz. níže). Touto problematikou bych se chtěl nadále zabývat ve své budoucí diplomové práci. Jako další jsme zhotovili metalografický výbrus profilu svaru provedeného elektrodou E - S 716. Materiál svaru je mnohem odolnější vůči leptání než svařovaný materiál, přechodové pásmo má mezi svarovým kovem a základním svařovaným matriálem-šedou litinou tloušťku přibližně 0,1 až 0,16 mm. Svar je mělký (asi 1/3 hloubky praskliny), 9 mm široký a nemá provařen kořen (0,3 mm).
- 29 -
7 Použitá literatura 1. FILÍPEK, J.: Nauka o materiálu. 1. vydání. Brno: Vysoká škola zemědělská v Brně, 1981. 106 s. 2. HLUCHÝ, M., KOLOUCH, J.: Nauka o materiálu 1. a 2. díl. 1. vydání. Praha: Scientia, spol. s r.o., pedagogické nakladatelství, 1996. 216 s. ISBN 80-7183-017-8 3. POŠTA, J., HAVLÍČEK, J., ČERNOVOL, M.I.: Renovace strojních součástí. 2. vydání. Praha: SVÚM a.s. – Česká tribologická společnost, 1998. 160 s. ISBN 80902015-6-3 4. PTÁČEK, L. a kolektiv: Nauka o materiálu I. 1. vydání. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 2001. 505 s. ISBN 80-7204-193-2 5. INTERNETOVÉ STRÁNKY: www.omnitechweld.cz/cz/sortiment/materialovelisty/katalog 6. INTERNETOVÉ STRÁNKY: www.elitalycea.wz.cz/files/tep 7. CD-ROM KATALOG ELEKTROD ESAB 2003/2004
