SVAŘOVÁNÍ LITIN Bakalářská práce

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

SVAŘOVÁNÍ LITIN Bakalářská práce

Vedoucí bakalářské práce: Ing. Jiří Votava, Ph.D.

Vypracoval: Josef Kopeček

Brno 2010

Prohlášení Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci na téma SVAŘOVÁNÍ LITIN vypracoval samostatně a pouţil jsem pramenů, které cituji a udávám v přiloţeném soupisu literatury. Souhlasím, aby práce byla uloţena v knihovně Mendelovy university v Brně a zpřístupněna ke studijním účelům.

V Brně, dne:

……………………….

Podpis studenta:

……………………….

Poděkování Děkuji svému vedoucímu bakalářské práce Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D. za příkladné a ochotné vedení, které mi poskytl při zpracování této závěrečné práce. Dále za cenné připomínky, rady a pomoc pří práci ve školní laboratoři.

Anotace Předloţená bakalářská práce se zabývá metodami a moţnostmi svařování se zaměřením na metody svařování litin. Jsou zde stručně popsány různé druhy svařování: svařování el. obloukem, svařování plamenem, svařování wolframovou elektrodou (WIG). Zaměření je především věnováno litinám, základní rozdělení litin, značení, struktura, tepelné zpracování, svařitelnost litin, příprava svaru. Stručně je zde popsána příprava spoje před svařováním, svařování za tepla, polotepla a za studena. V neposlední řadě jsou popsány přídavné materiály pouţívané při svařování litin. V experimentalní části bakalářské práce jsou testovány vzorky, které byly svařeny metodou svařování el. obloukem. Zhotovené svary byly hodnoceny na základě provedených metalografických výbrusů. Při svařování vzorků se pouţívaly elektrody ESAB E-S 716 a ESAB E-S 723. Klíčová slova: Svařování, litina, mikrotvrdost.

Annotation This bachelor´s thesis covers choices of welding with a view to iron welding methods. It gives summary of various types of welding, arc welding, flame welding, WIG. It comprises irons, basic allocation of irons, mark, structure, heat treatment, weldtability of irons, preparation of weld. There is citation in short regarding butt weld before welding, forge weld, mid – heat and cold weld. Last but not least, we also mention additional substances using welding of iron. Experimental part of bachelor´s thesis covers testing samples which was provided by arc welding. These fabricated welds were rated on a basis of provided metalographical cuts. Used electrodes at welding: ESAB E-S 716 and ESAB E-S 723.

Keywords: Welding, cast iron, microhardness.

OBSAH 1 2 3 3.1 3.2 3.3 3.4 4 4.1

4.2 4.3 4.4

4.5 4.6 4.7

5 5.1

5.2

5.3 6 7 8 9

ÚVOD ................................................................................................................... 7 CÍL PRÁCE ......................................................................................................... 7 VŠEOBECNÝ ÚVOD DO TECHNOLOGIE SVAŘOVÁNÍ ......................... 8 Historie svařování .............................................................................................. 8 Definice svařování ............................................................................................. 9 Terminologie – základní pojmy svařování ....................................................... 10 Označování poloh při svařování....................................................................... 11 LITINY .............................................................................................................. 12 Co je to litina? .................................................................................................. 12 4.1.1 Struktura, rozdělení a značení litin ........................................................... 14 4.1.2 Rozdělení litin ........................................................................................... 14 4.1.3 Značení litin .............................................................................................. 15 4.1.4 Bílá litina................................................................................................... 15 4.1.5 Grafitické litiny ......................................................................................... 16 4.1.6 Šedá litina ................................................................................................. 17 4.1.7 Tvárná litina .............................................................................................. 17 4.1.8 Temperovaná litina ................................................................................... 17 Strukturní součásti litin .................................................................................... 18 Význam svařování litin .................................................................................... 19 4.3.1 Svařitelnost litin ........................................................................................ 20 Metody svařování litin ..................................................................................... 21 4.4.1 Obloukové svařování (bez ochranného plynu) ......................................... 22 4.4.2 Svařování plamenem................................................................................. 23 4.4.3 Svařování metodou WIG .......................................................................... 24 Přídavné materiály pro svařování litiny ........................................................... 25 Příprava spoje při svařování litiny ................................................................... 26 Přehled druhů svařování vhodných pro litiny .................................................. 26 4.7.1 Svařování za tepla ..................................................................................... 27 4.7.2 Svařování za polotepla .............................................................................. 27 4.7.3 Svařování za studena ................................................................................ 27 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ............................................................................ 28 Příprava vzorku ................................................................................................ 28 5.1.1 Popis pouţívaných elektrod ...................................................................... 28 5.1.2 Pouţitá metoda svařování el. obloukem za pouţití elektord ESAB ......... 30 Metalografický rozbor ...................................................................................... 30 5.2.1 Měření mikrotvrdosti HV ......................................................................... 32 5.2.2 Svarový kov, tepelně ovlivněná oblast (TOO) ......................................... 33 Popis jednotlivých struktur .............................................................................. 34 ZÁVĚR ............................................................................................................... 38 POUŢITÁ LITERATURA ............................................................................... 40 SEZNAM OBRÁZKŮ ...................................................................................... 41 SEZNAM TABULEK ....................................................................................... 41

1

ÚVOD Bakalářská práce se zabývá metodami a technologiemi svařování šedé litiny.

Objasňuje metodiku a problematiku pouţívaných metod v současnosti. Mezi nejčastěji pouţívané metody patří: svařování elektrickým obloukem, svařování plamenem a metoda svařování WIG (wolframovou elektrodou).

Metody týkající se této

problematiky jsou prakticky ověřeny. Svařování se uţívá nejen k výrobě nových součástí, ale i k renovaci strojních součástí. Výroba nových součástí je značně jednodušší, protoţe předem známe materiál, který budeme svařovat a známe jeho technické parametry. Znalost materiálu a technických parametrů je velmi důleţitá. Samozřejmě také zhotovení svaru a zručnost svářeče. U renovace součástí mnohdy svářeč nezná dostatečně materiál a jeho technické parametry. To způsobuje velké komplikace při svařování. V práci jsou popsány všechny druhy litin, jejich struktura, rozdělení, značení a svařitelnost. V další části je popsána příprava technologií svařování konkrétních vzorků. Sváry byly provedeny dvěma druhy elektrod ESAB E-S 716 a ESAB E-S 723. V závěru práce je stručně popsán odběr vzorků a metalografické zkoušky. Vyhodnocení měření mikrotvrdostí HV je zaznamenáno v tabulkách. (tab. 5 a tab. 6 Mikrotvrdost HV)

2

CÍL PRÁCE Cílem této práce je popsat problematiku týkající se svařování litin:  popsat jednotlivé svařovací metody,  definovat a na metalografických snímcích popsat TOO (tepelně ovlivněnou oblast),  porovnat mikrotvrdost jednotlivých struktur v tepelně ovlivněné oblasti se základním materiálem.

7

3

VŠEOBECNÝ ÚVOD DO TECHNOLOGIE SVAŘOVÁNÍ

3.1 Historie svařování Svařování patří mezi strojírenské technologie, zpracovávající největší objem kovových materiálů a to jak tvářených, tak i materiálů litých. Zpracovává více jak 26 % kovových materiálů. Zvládnutí svařování je závislé na znalostech celé řady vědních oborů, jako jsou na příklad: matematika, fyzika kovů a další obory, coţ dává svařování interdisciplinární charakter.

[1]

Celá dlouhá staletí bylo jedinou metodou kovářské svařování. Teprve koncem minulého století byly rozvinuty 3 metody svařování: el. obloukem, plamenové a odporové svařování. Výše uvedené metody byly zkoumány v 80. letech 19. stol. a aplikovány v průmyslu o několik let později.

[1]

Za počátek historie svařování el. obloukem lze povaţovat rok 1801. Jiţ v roce 1803 píše ruský fyzik V. V. Petrov o této moţnosti na druhém konci světa. V roce 1881 pouţil Auguste de Meritens uhlíkovou elektrodu k obloukovému svařování olověných desek. První svarový spoj vzniklý svařováním mezi uhlíkovou elektrodou a základním kovem byl realizován N. N. Benardosem a na světové výstavě v Paříţi. V roce 1889 bylo jiţ předvedeno nejméně 15 způsobů vyuţití tohoto vynálezu. Benardos je obecně povaţován

za

nositele

prvního

patentu

obloukového

svařování.

V bývalém

Československu se datuje rozvoj svařování el. obloukem rokem 1927, kdy v tehdejších Škodových závodech byl postaven první celosvařovaný most s rozpětím 49,6 m (na tehdejší dobu největší na světě) svařovaný holými elektrodami. V roce 1933 staví v Plzni první svařovaný most přes řeku Radbúzu s obloukem 50,6 m jiţ svařeným obalenými elektrodami. Je třeba také vzpomenout zaloţení Výzkumného ústavu svářečského v roce 1949 dalším československým odborníkem světové pověsti ve svařování profesorem Josefem Čabelkou. To, co pro svařování el. obloukem znamenal objev el. oblouku, znamenal pro svařování plamenem objev průmyslové výroby karbidu vápníku v roce 1892. Kyslíkoacetylenový plamen byl podroben obsáhlému výzkumu v roce 1985. Stejně jako u svařování el. obloukem nezůstala Česká republika pozadu ani v aplikacích svařování plamenem. V roce 1929 byl ve Vítkovicích poprvé na světě vyroben celosvařovaný vysokotlaký kotel na přehřátou páru o teplotě 500 °C a provozním tlaku 12,5 MPa. [1]

8

3.2 Definice svařování V technické praxi se vyskytují různá spojení strojních součástí. Dvě hlavní skupiny spojení jsou spojení rozebíratelná a spojení nerozebíratelná. Bez pouţití spojovacích prvků lze získat nerozebíratelná spojení svařováním, pájením a lepením. Cílem technologické operace svařování je vyrobit vyhovující spojení určitých částí povrchů dvou nebo více dílů, přičemţ vzniklý spoj musí vykazovat vlastnosti, které jsou poţadovány nebo vyhovují podmínkám jejich provozování.

[1]

Svařováním kovů a jejich slitin vznikají nerozebíratelná spojení pomocí soustředěného tepla, nebo tlaku, případně obojím a s pouţitím, nebo bez pouţití přídavného materiálu, stejného, či podobného chemického sloţení jako spojované materiály. Spojení nastane působením meziatomových sil, vazeb na teplem nebo tlakem aktivovaných plochách, které jsou v oblasti svařování v roztaveném nebo plastickém stavu. Navařování kovů je obdoba svařování, kdy v omezeném prostoru dané součásti se nanáší přídavný materiál za účelem doplnění nebo zvětšení objemu součásti s cílem dosáhnout ochrany proti korozi, nebo zvýšení odolnosti proti opotřebení, případně z jiných důvodů. Pevné látky mohou mít různý typ vazby, která odpovídá různým typům rozloţení iontů a elektronů. U různých vazeb jsou ionty v atomu uspořádány tak, aby potenciální energie krystalu byla co nejmenší. Kovové krystaly (např.: Cu, Fe, Ag, Mo) vznikají v důsledku vazby, která je označována jako vazba kovová. Základní představou je existence mraku valenčních (volných) elektronů, které mohou přecházet volně od atomu k atomu. Ke kovové vazbě dochází tehdy, kdyţ přitahování mezi kovovými ionty a elektronovým mrakem převýší vzájemné odpuzování elektronů v tomto mraku. Ionty jsou uspořádány podle přesně definovaného rozloţení, podle něhoţ v pevných látkách existují mezi ionty síly přitaţlivé a síly odpudivé (síly s krátkým dosahem) viz obr. 1.

[1]

9

Obr. 1 Uspořádání iontů v krist. mřížce [1]

3.3 Terminologie – základní pojmy svařování Ve svařování jsou pouţívány některé ustálené základní pojmy a terminologie. Terminologie je moţno objasnit viz obr. 2.

Obr. 2 Základní pojmy svařování [1]

10

a) tupý svárový spoj, b) koutový svarový spoj, c) přechod svarového kovu do základního materialu – tupý svarový spoj, d) přechod svarového kovu do základního materialu – koutový svarový spoj, e) příprava svarového spoje, f) kladení svarových housenek – vrstev Terminologie používaná ve svařování – vysvětlení k obr. 2: 1 – základní materiál

2 – základní materiál

3 – svarový kov

4 – svarový spoj

5 - návarová plocha

6 – svarový úkos

7 – hloubka závaru

8 – závar

9 – tepelně ovlivněná oblast

10 – plynulý přechod svaru 11 – ostrý přechod svaru

12 – přechod svaru s vrubem

13 – svarová housenka

15 – vícevrstvý svar

14 – jednovrstvý svar

16 – krycí housenka (vrstva) 17 – provařený kořen

18 – podloţený kořen

19 – úkos s ostrou hranou

20 – úkos s otupením

21 – výška otupení©

α – úhel rozvaření

β – úhel zkosení

b – mezera v kořeni svaru

Svarový spoj tvořený dvěma základními materiály stejného chemického sloţení a stejných fyzikálně – chemických vlastností se nazývá homogenním svarovým spojem. V opačeném případě se jedná o heterogenní svarový spoj.

3.4 Označování poloh při svařování Při svařování jsou pro potřeby technologických postupů (WPS), zkoušek svařování a podobné potřeby polohy svařování označovány normalizovanými značkami. Polohy svařování se označují podle ČSN EN ISO 6947. Pojmenování a symboly hlavních poloh jsou uvedeny v tab. 1.

11

Tab. 1 Označování poloh při svařování [1] Pojmenování Popis Poloha vodorovná shora

Symbol

Vodorovný směr svařování, PA svislá

osa

svaru,

krycí

vrstva nahoře Poloha

vodorovná

šikmo Vodorovný směr svařování, PB

krycí vrstva směrem šikmo

shora

nahoru Poloha vodorovná

Vodorovný směr svařování, PC vodorovná osa svaru

Poloha vodorovná šikmo nad

Vodorovný směr svařování, PD

hlavou

nad hlavou, krycí vrstva směrem šikmo

Poloha vodorovná nad hlavou

Vodorovný směr svařování, PE nad

hlavou,

svislá

osa

svaru, krycí vrstva dole Poloha svislá nahoru

Svislý

směr

svařování PF

zdola nahoru Poloha svislá dolů

Svislý

směr

svařování PG

shora dolů Svařování nahoru k vrcholu Směr svařování nahoru a H – L045

úhlem 45 °

svaru

Svařování od vrcholu svaru Směr dolů

4

svařování

dolů

a J – L060

úhlem sklonu 60 °

LITINY

4.1 Co je to litina? Litina se vyrábí přetavením smíšených surových ţelez, litinového i ocelového šrtotu ve slévárenské peci (kuplovně). Litina se liší od oceli tím, ţe obsahuje kromě kovové sloţky ještě součást nekovovou, kterou tvoří grafit (tuha), porušující kovovou

12

vazbu litiny. Křehkost litiny právě působí lupínky grafitu. U litiny je tedy důleţitý nejen obsah uhlíku, ale i jeho rozdělení na uhlík vázaný s kovem a uhlík grafitický. V šedé litině můţe být část uhlíku vázaného (cementit) a druhá část ve volném stavu (grafit). Kromě uhlíku má na vlastnosti šedé litiny vliv především její kovová hmota. Čím více je v její struktuře krystalů ţeleza (feritu), tím je litina měkčí a naopak, čím více je v litině cementitu, tím je litina křehčí a tvrdší. Lépe se svařují měkčí litiny. Jaká struktura litiny vznikne, závisí hlavně na rychlosti ochlazování roztaveného kovu. Při pomalém ochlazování nastává úplnější rozpad cementitu a získá se struktura šedé litiny. Rychlým ochlazováním vzniká místo šedé litiny bílá litina (uhlík je zde v podobě karbidu). Tím si vysvětlíme rozdílné vlastnosti šedé litiny lité, např. z téţe pánve do pískových forem na odlitky růné tloušťky. Tenkostěnné odlitky chladnou rychleji neţ odlitky tlustostěnné, a proto má tenkostěnný odlitek větší pevnost a tvrdost neţ odlitek tlustostěnný. Kdyby forma, do níţ se litina lije, byla kovová, vychladne odlitek na povrchu téměř okamţitě. V litině na porvrchu nebude ţádný grafit, všechn uhlík bude mít podobu karbidu a vznikne struktura bílé litiny. Střed takového odlitku chladne pomaleji a můţe se v něm grafit vyloučit. Tak vzniká litina tvrzená. Na vznik tvrzené litiny má vliv nejen rychlost chladnutí, ale i chemické sloţení šedé litiny. Litiny jsou slitiny ţeleza s uhlíkem, manganem a dalšími prvky, v nichţ mnoţství uhlíku přesahuje maximální hodnotu rozpustnosti v austenitu (2,14 % bez vlivu přísadových prvků). Z celkové hmotnosti strojírenských výrobků připadá na odlitky 20 %. Poměrný podíl jednotlivých slitin ţeleza na odlitky je následující: ocel na odlitky 22 %, šedá litina 75 %, temperovaná litina 2 %, tvárná litina 1 %.

[5]

13

4.1.1 Struktura, rozdělení a značení litin Struktura litin závisí na:  obsahu uhlíku,  přítomnosti ostatních prvků,  rychlosti ochlazování. 1)Vyšší obsah uhlíku podporuje krystalizaci podle stabilní soustavy, vylučuje se grafit. Při niţším obsahu uhlíku má soustava sklon krystalizovat dle diagramu metastabilního a vylučuje se cementit. 2)Prvky grafitotvorné (Si, Ni, Cu, Al) podporují krystalizaci podle soustavy stabilní. Naopak prvky karbidotvorné (Mn, Cr, S, V) podporují vznik soustavy metastabilní. 3)Při pomalém chladnutí dochází k tuhnutí podle diagramu stabilního a vylučuje se grafit. Při rychlém chladnutí podle diagramu metastabilního a vylučuje se cementit. 4.1.2 Rozdělení litin 1. Podle struktury se litiny dělí na: a) Bílé litiny: podeutektické eutektické nadeutektické b) Grafitické litiny:

Podle způsobu vyloučení grafitu:

šedé (obyčejné, očkované) tvárné temperované Podle základní kovové hmoty: perlitické feritické feriticko – perlitické c) Makové (poloviční) litiny d) Tvrzené (skořepové) litny

14

2. Podle obsahu legujících prvků rozlišujeme litny: nelegované legované:

Podle množství legujících prvků:

o nízkolegované (do 5 %) o středně legované (5–10 %) o vysokolegované (nad 10 %) Podle vlastností: o se zvýšenými mechanickými vlastnostmi o odolné proti opotřebení o ţáruvzdorné o korozivzdorné

4.1.3 Značení litin Litiny se dle ČSN 42 006 „číselné značení a rozdělení slitin ţeleza na odlitky“ označují šestimístným základním číslem viz. tab. 2. Tab. 2 Značení litin [5] 42

Xx

Hutní skupina

23 – tvárná litina, 24 – šedá Význam 5. a 6. číslice je

xx

litina, 25 – temperovaná, odlišný pro různé litny bílá, tvrzená litina [5] U většiny nelegovaných šedých a temperovaných litin udává třetí dvojčíslí přibliţnou hodnotu meze pevnosti a tahu v 10 MPa. U většiny nelegovaných tvárných litin udává přibliţnou mez pevnosti v tahu v 100 MPa. U ostatních litin charakterizuje třetí dvojčíslí typ slitiny, zejména sloţení a vlastnosti.

[5]

4.1.4 Bílá litina Tvrdost bílé litiny roste se zvětšováním obsahu uhlíku, tj. s mnoţstvím cementitu ve struktuře. Legováním lze tvrdost ještě zvětšit. Dále je moţné tvrdost zvýšit

15

martenzitickým kalením. Z bílé litiny se zhotovují jednoduché odlitky, které mají mít velkou tvrdost a odolnost proti opotřebení a kde není na závadu značná křehkost a obtíţná obrobitelnost. Podeutektická bílá litina je výchozím materiálem pro výrobu temperované litiny. Je velmi tvrdá a křehká a prakticky neobrobitelná. [5] Bílá litina – litina s vysokou tvrdostí a otěruvzdorností. V porovnání se šedou litinou má niţší obsah křemíku a je legována prvky, které stabilizují karbidy (Cr, Mo, V). Mikrostruktura se skládá ze základní perlitické nebo martenzitické mateční fáze, ve které jsou rozloţeny karbidy. Bílá litina vzniká s výjimkou chemického sloţení, rychlým ochlazením. Struktura je dále tvořena rozpadlým ledeburitem na primární cementit a martenzit. Z uvedeného důvodu není bílá litina vhodná pro svařování. [4] 4.1.5 Grafitické litiny Mezi grafitické litiny patří:  šedá litina (42 24xx)  tvárná litina (42 23xx)  temperovaná litina (42 25xx) Výsledná struktura je tvořena grafitem a základní kovovou hmotou. V šedé litině se vyskytuje lupínkový grafit, v tvárné litině se vyskytuje zrnitý (kuličkový) grafit a v temperované litině vločkový grafit viz obr. 3.

vločkový

lupínkový

Obr. 3 Grafit [5]

16

[5]

kuličkový

4.1.6 Šedá litina Jakost šedé litiny se posuzuje hlavně podle pevnosti v tahu, popřípadě téţ podle pevnosti v ohybu, která je zhruba asi dvojnásobná neţ pevnost v tahu. Nejlépe odolává šedá litina namáhání tlakem, neboť její pevnost v tlaku je přibliţně čtyřikrát větší neţ pevnost v tahu. Šedá litina se označuje šestimístným číslem, např. 42 2412. První dvojčíslí (42) značí hutnictví, druhé dvojčíslí (24) znamená, ţe jde o šedou litinu. Třetí dvojčíslí (12) udává nejmenší pevnost šedé litiny v tahu. Tvrdost litiny je určována hlavně strukturou kovové sloţky a závisí na mnoţství vázaného uhlíku, větší obsah celkového uhlíku zmenšuje tvrdost a pevnost litiny (tedy opačně neţ u oceli). Odlitky z šedé litiny se obvykle tepelně nezpracovávají. Ve zvláštních případech se litina i povrchově kalí, ţíhá a zušlechťuje. Pro svou strukturu je šedá litina dobře obrobitelná. Odolnost šedé litiny proti povětrnostním vlivům je větší neţ u oceli, kdeţto proti působení kyselin je celkem málo odolná.

[7]

4.1.7 Tvárná litina Tvárná litina se vyrábí očkováním roztavené litiny, tj. přidáním přísady (nejčastěji hořčíku) do pánve. Přísada způsobuje tvoření zrnitého (kuličkového) grafitu, který tolik nezmenšuje pevnost litiny. Vzniká tak velmi kvalitní a taţná litina tvárná, která se blíţí svými vlastnostmi ocelové litině a oceli. Tvárná litina se značí obdobně jako u šedé litiny. Dosahuje nejmenší pevnosti v tahu a je normalizačně ţíhána. Značí se 42 2442.

[7]

Tvárná litina je dobře obrobitelná a značně odolná proti opotřebení. Lze ji pouţít na různé součásti zemědělských strojů, válce, písty, brzdové bubny, ozubená kola. Nevýhodou tvárné litiny je zatím její značná cena.

[7]

4.1.8 Temperovaná litina Dříve kujná litina je slitina ţeleza s uhlíkem. Dále obsahuje také křemík, mangan, fosfor a síru. Je houţevnatá a snadno obrobitelná. Vyrábí se temperováním odlitků z bílé litiny. Temperování je dlouhodobé ţíhání odlitků v temperovacích hrncích, zasypaných temperovací hmotou. Podle chemického sloţení výchozích odlitků

17

z bílé litiny, teploty a doby temperování. Rozeznáváme dva druhy temperované litiny a to tzv. feritickou a perlitickou.

[7]

Temperovaná litina feritická (dříve kujná litina s černým lomem nebo-li americká). Výchozí odlitky z bílé litiny mají menší obsah uhlíku a vyţadují niţší temperovací teplotu (850–930 °C) a kratší čas temperování (30–50 hod.) neţ temperovaná litina perlitická. Vyskytují se 3 druhy feritické temperované litiny, ze které se vyrábějí odlitky pro zemědělské stroje, vagony, traktory. Temperovaná litina perlitická (dříve kujná litina s bílým lomem nebo-li evropská) se temperuje delší dobu (50–100 hod.) a na vyšší teplotu (950–1000 °C) neţ litina feritická. [7] Normalizovány jsou opět 3 druhy této litiny. Vyrábějí se z ní různé odlitky pro čerpadla, kompresory, automobily a zemědělské stroje. Pouţití perlitické temperované litiny ustupuje dnes stále více do pozadí. Nahrazuje se temperovanou litinou feritickou. Mezi dvěma hlavními druhy temperované litiny jsou druhy přechodné, jejichţ lom přechází od černého k bílému. Výrobky z temperované litiny mají uspokojivou pevnost i houţevnatost. Její mechanické vlastnosti se pohybují mezi vlastnostmi šedé a ocelové litiny. Dá se snadno obrábět, pájet na měkko a částečně i kovat. Kujnost je skutečně jen částečná. Účelem temperování není získat materiál kujný (výrobky se po temperování prakticky nikdy netvářejí), nýbrţ spíše materiál měkký a houţevnatý. Temperovaná litina je značně odolná proti korozi. Její odolnost je mnohem větší neţ odolnost šedé litiny, pouţívá se zejména na sloţitější a menší součásti, kde by odlitky ze šedé litiny byli příliš křehké a málo pevné.

[7]

4.2 Strukturní součásti litin Grafit výrazně ovlivňuje vlastnosti grafitických litin. Čím méně grafitu se nachází ve struktuře, tím je litina pevnější a tvrdší. Částice grafitu porušují souvislost kovové hmoty a vyvolávají koncentraci napětí. Špatný vliv na vlastnosti má hrubý lupínkový grafit v šedé litině. Mírnější vliv má jemný lupínkový grafit v očkované litině, dále vločkový grafit v temperované litině a nejvýhodnější je zrnitý grafit v tvárné litině. Důleţitou vlastností grafitických litin je dobrá schopnost útlumu. Zatímco grafit

18

vyloučený ve tvaru tenkých lupínků tlumení silně zvětšuje, zrnitý grafit působí mírněji. Přesto však jsou litiny se zrnitým grafitem výhodnější neţ ocel. Grafitové lupínky ve struktuře podstatně sniţují citlivost litiny k účinkům vrubů při dynamickém namáhání. Povrchové vady odlitků nemají tedy tak nepříznivý vliv na vrubovou houţevnatost a na mez únavy. V případě zrnitého grafitu je litina citlivější na vruby. Grafit také zlepšuje třecí vlastnosti litin.

[5]

Ferit je u litin v podstatě tuhým roztokem křemíku v ţeleze. Tento legovaný ferit je pevnější a méně houţevnatý neţ ferit v uhlíkových ocelích. Přesto ferit ve struktuře litin sniţuje jejich pevnost a tvrdost, zlepšuje obrobitelnost a houţevnatost. [5] Perlit bývá v litinách nejčastěji v lamelární formě, ale můţe být i zrnitý. Čím je větší podíl perlitu a menší mezilamelární vzdálenost, tím je litina pevnější, tvrdší, odolnější proti opotřebení, ale má horší plastické vlastnosti.

[5]

Ledeburit se nachází v litinách bílých, tvrzených i makových. Někdy se můţe vyskytnout jako neţádoucí strukturní součást v grafitických litinách. Přítomnost ledeburitu v litině zvětšuje tvrdost, odolnost proti opotřebení, avšak sniţuje pevnost, houţevnatost a obrobitelnost.

[5]

4.3 Význam svařování litin Strojní součásti, které jsou vhodné na opravu tzn. sníţení poruch strojů a sniţování nečinnosti, má obdobný význam jak jejich nová výroba. Při opravách součástí je svařování mezi prvními metodami, které umoţní rychlé a kvalitní opravení nebo renovaci součásti. Většina našich produktů (strojů) se skládá ze součástí, které jsou z velké časti litinové odlitky. Zde je znalost svařování litin hlavním předpokladem úspěchu k jejich kvalitní opravě. Odlišnost svařování ocelí a svařování litin je velká, tudíţ ne kaţdý svářeč se dokáţe orientovatt touto problematikou. Kaţdá oprava bývá v podstatě jiná. Při opravách jsou svářeči v nevýhodě oproti svářečům při výrobě, kteří svařují předem známý a normalizovaný materiál, který je 100 % svařitelný. Při

19

opravách svářeč většinou svařuje materiál, který nezná, nezná ani předpoklady svařitelnosti materiálu. Při opravách si svářeč musí vytvořit příznivé podmínky a zvolit si správně přídavný material, postup svařování a počítat s odstraňováním chyb slévačů a konstruktérů. Opravují se vady vzniklé chybnou technologií při lití, které se ovšem zpozorují aţ po očištění odlitků. Jedná se většinou o řediny, nárosty, trhliny, zálupy, staţeniny. Opravovat vady je dovoleno jen s výslovným souhlasem spotřebitele. Dále jsou to vady lití objevené po mechanickém obrobení. Jedná se o zavaleniny, řediny a struskové vměstky. Jsou opraveny po prvních nebo konečných operacích obrábění. Dále se jedná o zmetky zaviněné vlastní výrobou. Vady zaviněné provozem stroje ve kterém litá součást pracuje, vznikající přemáháním, popraskáním, opotřebováním nebo třeba poţárem. Zřídka se vyskytují trhliny, vzniklé vnitřním pnutím. Za odlitky ze šedé litiny se po opravě nepřebírá záruka. Jakost opravy lze stanovit aţ po jejím skončení a vyzkoušení celého odlitku.

4.3.1 Svařitelnost litin Spojují-li se litiny s kovem stejného či podobného sloţení odborně dílenským svarem s vlastnostmi poţadovanými pro daný účel, jsou litiny prakticky svařitelné. Dobrým svarem rozumíme souvislý spoj zdravým hustým kovem, který má ţádané vlastnosti. Svařitelnost litiny je velmi špatná a obtíţná. Hodně druhů litiny není svařitelná vůbec. Postupem času se zpracování a mechanické vlastnosti litiny zdokonalují. Svařitelnost v podstatě zůstává stejná, vyvíjí se pouze metody svařování a přídavný materiál. Svařitelnost šedé litiny – šedá litina se skládá ze stejných prvků jako ocel, avšak vlastnosti a svařitelnost jsou zcela jiné. Způsobuje to větší obsah uhlíku, křemíku a ostatních prvků viz tab. 3. Tab. 3 Svařitelnost šedé litiny (obsah C, Mn…) [7] MATERIÁL

C%

Mn %

Si %

P%

S%

Fe %

MĚKKÁ

0,15

0,7

0,2

0,035

0,04

zbytek

3,0

0,7

2,4

0,5

0,09

zbytek

OCEL ŠEDÁ LITINA

20

Šedá litina tohoto sloţení (tab. 3) je dobře svařitelná, změny v tomto sloţení mají vliv buď na vlastní svařování nebo na strukturu základního materiálu. Svařitelnost tvárné litiny – tvárná litina se také svařuje velmi obtíţně. Je typická náchylností ke křehnutí a tvrdnutí v přechodovém pásmu, na které působylo teplo svařování. Tvárná litina se za vysokých svářecích teplot můţe změnit na šedou litinu, protoţe se vypaluje hořčík . Ta má horší mechanické vlastnosti neţ tvárná litina. Svařitelnost bílé litiny – bílá litina je díky své velké křehkosti a tvrdosti téměř nesvařitelná, protoţe v ní vznikají při chladnutí a svařování trhliny. Pouţívá se jí především jako výchozího materiálu při výrobě temperované litiny. Tudíţ se svařuje jen ojediněle. Svařitelnost temperované litiny – na svařitelnost této litiny má vliv obsah feritu nebo perlitu ve struktuře. Rozhodující vliv na mnoţství feritu nebo perlitu má chemické sloţení výchozí bílé litiny.

Technologické postupy svařování litiny jsou: svařování za tepla, kdy je odlitek předehříván na teplotu 500–650 °C, svařování za poloohřevu, kdy je odlitek předehříván na teplotu 250–450 °C, svařování za studena, kdy teplta odlitku nesmí přesáhnout 75 °C.

4.4 Metody svařování litin svařování plamenem, svařování el. obloukem (obalenou elektrodou nebo litou tyčinkou), svařování uhlíkovou elektrodou a litou tyčinkou, svařování metodou WIG, pájení plamenem. Postup svařování litiny Obdobně jako při svařování oceli, se doporučuje postup svařování litiny zpracovat formou specifikace postupu svařování WPS. V rámci postupu svařování se uvádí: zjištěný druh litiny, metoda svařování, druh svaru,

21

druh přípravy a čistění – zvlášť důleţité při opravách zaolejovaných skříní, tvar spoje podle ČSN EN 20692 s úpravami pro litinu, postup svařování, parametry svařování, pouţité přídavné materiály, teplota předehřevu, tepelné zpracování po svařování.

[4]

4.4.1 Obloukové svařování (bez ochranného plynu) Tato metoda se zpravidla uţívá u ručního svařování, kde jsou převáţně pouţívány obalované elektrody. Svařovací oblouk hoří mezi základním materiálem a obalenou elektrodou. Sloţení elektrod je z kovového jádra a obalu. Kovovou elektrodou se současně při hořícím oblouku dodává do místa svaru přídavný kov, který se odtavuje z jádra elektrody (výjimku zde tvoří plněné elektrody). Obal se na kovový drát nanáší máčením nebo lisováním. Je tvořen směsí zejména struskotvorných, plynotvorných, legujících a stabilizačních látek jako je: křemen, kaolín, dolmit, vápenec, kazivec, ze ţelezných rud – krevel, manganovec apod., a z feroslitin. Legury zušlechťující vyrobený svar nejsou v jádru elektrody, ale v obalu. [2] Charakteristické znaky oblouku jsou: malý anodový úbytek napětí, malý potenciální rozdíl na elektrodách, proud řádově ampéry aţ tisíce ampér, velká proudová hustota katodové skvrny. Obal elektrody zajišťuje:

stabilitu hoření elektrického oblouku, ochranu svařovaného kovu před účinkem okolní atmosféry, legují i tavnou lázeň. [www.esab.com]

22

Svařování el. obloukem, jak je patrné z obr. 4.

Obr. 4 Svařování el. obloukem [2] 4.4.2 Svařování plamenem Jedná se o tavný svařovací proces. Působí se na svařovaný materiál pouze teplem (plamenem), které vzniká hořením hořlavého plynu (acetylénu, vodíku apod.) a kyslíku. 4.4.2.1 Postupy při svařování plamenem Svařování vpřed – svařovací drát je veden před hořákem ve směru svařování. Je to méně náročný způsob svařování, neţ vzad. Tímto postupem je větší nebezpečí nedokonalého provaření kořene svaru vlivem přebírání svarové lázně. Pouţití tohoto postupu je vhodné na tenké plechy do tloušťky 4 mm.

[1]

Svařování vzad – svařovací drát postupuje s hořákem, plamen je směrován na tavnou lázeň i na chladnoucí svar. Dochází tím k ochraně tavné lázně i tuhnoucího svaru před nepříznivými účinky okolní atmosféry. Svařováním vzad dosáhneme kvalitnější svary, zaručené provaření kořene, menší pnutí a deformace. Tento způsob je předepsaný pro namáhané svary, nejrůznějších konstrukcí. Viz obr. 5.

23

[1]

Obr. 5 Plamenové svařování [2]

4.4.3 Svařování metodou WIG Pouţitím této metody hoří oblouk mezi základním materiálem a netavící se elektrodou. Jako ochranný plyn se pouţívá argon, helium nebo jejich směsi. Plyn zajišťuje ochranu jak elektrody, tak i tavné lázně. Plyn musí obsahovat 99,995 % čistoty. Svařovat lze s pouţitím přídavného materiálu, který se aplikuje ručně ve formě drátu, nebo svařování s automatickým podavačem drátu. Metoda WIG viz obr. 6.

Obr. 6 Metoda WIG [www.svarbazar.cz/phprs/view.php?cisloclanku=2008011702]

4.4.3.1 Svařovací hořáky WIG Svařovací hořáky jsou nejzatíţenější částí svařovacích zařízení. Zajišťují přívod elektrického proudu k elektrodě, přívod a usměrnění ochranného plynu, fixování polohy wolframové elektrody, přívod a odvod chladící vody. Hořáky rozdělujeme na chlazené

24

procházejícím plynem do cca 250 A a vodou chlazené hořáky od 350 aţ 500 A pro ruční, ale především strojní svařování. Hořáky mají vyměnitelné kleštiny, které zajišťují pevné upnutí a proudové napájení wolframových elektrod. Pevné upnutí je důleţité z hlediska sníţení přechodového odporu mezi kleštinou a wolframovou elektrodou. Kleštiny jsou vtlačovány do kuţelového otvoru pomocí ručně šroubované matice s krytem na elektrodu. Další tepelně zatíţenou částí je plynová tryska, která usměrňuje proudění plynu do místa svařování. Keramické trysky se pouţívají pro ruční hořáky chlazené procházejícím plynem a kovové, nejčastěji měděné a pochromované, jsou vhodné pro strojní hořáky chlazené vodou. Průměr plynové trysky se volí podle poţadované plochy, kterou chceme chránit.

4.5 Přídavné materiály pro svařování litiny  Čistý nikl  Nikl – ţelezo  Nikl – měď Čistý nikl – litina se můţe v prvé řadě svařovat elektrodami z čistého niklu. Nikl dokáţe absorbovat více uhlíku neţ ţelezo bez toho, aby to výrazněji změnilo jeho vlastnosti. Teplotní roztaţnost niklu a litiny jsou porovnatelné. Nikl má vyšší taţnost neţ ostatní materiály na svařování litiny a dá se velmi dobře obrábět. Pouţívá se na vyplňování dutin a opravy všeobecně, kdyţ se ţádá tvrdost cca 150HB. Nedoporučuje se pouţít na opravu litiny s vysokým obsahem síry a fosforu.

[3]

Nikl – ţelezo – kdyţ se poţaduje vyšší pevnost. Na svařování litiny a litiny s ocelí se mohou pouţít elektrody typu nikl – ţelezo. V důsledku obsahu ţeleza ve svarovém kovu má tento způsob o něco vyšší tvrdost v porovnání se svarovým kovem typu čistého niklu. Svarový kov je dobře obrobitelný. Ţelezo lépe toleruje promísení se sírou a fosforem ze základního materiálu neţ čistě niklový typ. [3] Nikl – měď se pouţívá nejčastěji v těch případech, kdy se vyţaduje stejné zabarvení svarového kovu a základního materiálu. Svarový kov je dobře obrobitelný.[3]

25

4.6 Příprava spoje při svařování litiny Rozevření úkosu musí být širší neţ pro nízkouhlíkové oceli. Všechny ostré hrany se musí zaoblit. Všeobecně mají přednost úkosy tvaru „U“. Trhliny se musí úplně otevřít, aby byly přístupné. Při opravách trhlin se musí na kaţdém konci trhliny vyvrtat dírka, aby se trhlina dále nešířila. Jelikoţ litiny jsou pórovité, litinové díly v provozu nasáknou olejem a jinými kapalinami, které ovlivňují svařitelnost. Je potřebné je před opravou svařováním odstranit. Na spálení těchto tekutin je potřebný ohřev. V mnoha případech, ale toto není moţné pro nepříznivý tvar nebo rozměr dílců. Jednou z moţností, jak obejít tento problém, je pouţít na přípravu svarových hran dráţkovací elektrody OK 21.03. Jsou vynikající na opravy litinových dílců, neboť vysuší a vypálí nečistoty na povrchu, a tím sníţí riziko praskání a vzniku pórů při svařování. Při obvyklém broušení se nečistoty a grafit z litiny rozmaţou po povrchu úkosu a mohou při svařování způsobovat problémy. Pro svařování za studena je zejména důleţité, aby byl odlitek řádně odmaštěn. Kromě nezdravých výparů vznikajících při spalování mastnoty, zůstávají zbytky po hoření ve svarovém kovu a sniţují tím jeho jakost. Tam, kde nestačí vyvaření v chemickém prostředku, doporučuje se mastnotu na povrchu spálit kyslíko– acetylenovým plamenem, avšak tak, aby se místo nezahřálo víc neţ 200–250 °C. [3]

4.7 Přehled druhů svařování vhodných pro litiny Při volbě druhu svařování na opravu součásti je třeba přihlíţet k okolnostem, které jsou s touto problematikou spojené. Zjistit stupeň svařitelnosti obrobku, dále rozsah závady, původ, tvar, přístupnost k závadě, tloušťku stěn, váhu a rozdílnosti průřezů. Dále zjistit provozní podmínky, ve kterých odlitek pracoval, jako je provozní teplota, namáhání a rázy. Jindy bývá průběh opravy určován svéráznými vlastnostmi.

26

4.7.1 Svařování za tepla Při svařování za tepla se odlitek předehřeje na teplotu 500–650 °C, která při svařování nemá klesnout. Předehřátím se při svařování dosáhne hutného svarového kovu se strukturou původní litiny. Opracovanost i vzhled svaru se neliší od základního materiálu. Svařováním za tepla se dosahuje 70–100 % hodnot mechanických vlastností šedé litiny. Nevýhodou je značná spotřeba plynů, malý výkon svařování, delší čas oprav, potřeba ohřívacích pecí a v neposlední řadě i značně zvýšená námaha svářeče. Moţnost zborcení, opálení povrchu, které doprovázejí tavné svařování za tepla se zmenší, je-li předehřátí méně silné. [7] 4.7.2 Svařování za polotepla Předehřívací teplota zde nemusí překročit 400 °C, a to ani u velmi sloţitých odlitků. Předehřev má být nejlépe celkový (stačí také jen místní v okolí spoje). Obvykle se rovněţ dosahuje aţ 100 % hodnot mechanických vlastností šedé litiny. Nevýhodou je odlišná barva spoje (při pájení mosazí), která se značně liší od litiny. Spoje z různých kovů také špatně pracují při zvýšených teplotách (pro různé součinitele tepelné roztaţivosti). Někdy se stává, ţe před svařováním nelze pouţít ţádného způsobu ohřevu odlitku a to pro jeho velké rozměry, pro nebezpečí ztráty přesných rozměrů. Musí se pouţít svařování za studena. [7]

4.7.3 Svařování za studena Při svařování za studena se odlitek buď vůbec nepředehřívá, nebo se předehřeje na velmi nízkou teplotu, nepřevyšující 150 °C. Svařuje se prakticky jen elektrickým obloukem a u svarů se dosahuje jen 60–70 % hodnot mechanických vlastností šedé litiny. Jakost oprav u obou způsobů svařování s předehřevem je mnohem lepší neţ u svařování za studena. Avšak pro uvedené nevýhody, které mají způsoby svařování za předehřevu, pouţívá se raději svařování za studena, které přesto, ţe je riskantní, je rychlé a levné. Výhodná je dále operativnost opravy, kterou lze často uskutečnit přímo na stroji bez demontáţe součástí. Často je jediným řešením, při opravách generátorů, uvnitř sloţitých obrobených odlitků a deformace odlitků jsou nepatrné.

27

[7]

Přehled druhů svařování a přídavných materiálů viz tab. 4. Tab. 4 Druhy svařování a přídavných materiálů [7] Způsob svařování Druh svařovacího zdroje

Druh přídavného materiálu

Za tepla 500–650 °C

Elektrický oblouk

Litinová tyčinka

Kyslíko – acetylenový

Litinová tyčinka

plamen

Chemickou reakcí

Termit (chemická reakce)

Vyrobený kov

Slévárenský (tekutý kov)

Tekutá litina

Elektrický oblouk

Elektroda dávající litinový

Kyslíko – acetylenový

nebo neţelezný kov

plamen

Tyčinka z barevného kovu

Za polotepla 250–400 °C

nebo z litiny Za studena 20–150 °C

Elektrický oblouk

Ocelová elektroda, niklová, bronzová elektroda, biometalická elektroda

5

EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST

5.1 Příprava vzorku Vzorky byly připraveny klasickou metodou svařování el. obloukem za pouţití elektrod ESAB. Jednalo se o elektrody Esab E-S 16 a Esab E-S 723. Po zhotovení svarů byly vzorky rozřezány. Před leptáním vzorků následovalo jejich vybroušení a následné leštění. Dále následoval metalografický rozbor a měření mikrotvrdosti metodou Hanemannovým mikrotvrdoměrem. Poslední fází bylo zhotovení fotografií jednotlivých struktur a jejich popis. 5.1.1 Popis pouţívaných elektrod

Elektroda Esab E-S 716 Tato elektroda je určená pro opravy odlitků za studena ze šedé litiny zejména bloků motorů, čerpadel, dílů strojů apod. Podrobnější informace viz tab. 7. [www.esab.com]

28

Tab. 5 Vlastnosti elektrody E-S 716 [www.esab.com] Klasifikace SFA/AWS A5.15-90 ENiFe-CI DIN 8573 ENiFe-1-BG-13

Typické chemické sloţení čistého svarového kovu C 1,5 Si 0,7 Mn 0,6 Fe apod. 46 Ni apod. 50

Typické mechanické vlastnosti čistého svarového kovu Teplota přerušení 200 °C. Doba přesušení 3 h.

Tab. 6 Parametry elektrody E-S 716 [www.esab.com] Průměr, mm Délka, mm Svařovací proud, A Počet elektrod/kg Svarového kovu Výkon navaření kg Svar. Kovu/hod hoření oblouku T – doba hoření elektrody, s

2,5 3,2 4 300 350 350 55 - 75 75 - 100 85 - 160 90 45 30 0,6

0,9

1,8

70

90

70

Elektroda Esab E-S 723 Tato elektroda je určena pro opravy odlitků ze šedé nebo feritické tvárné litiny bez předehřevu.

[www.esab.com]

Tab. 7 Vlastnosti elektrody E-S 723 [www.esab.com] Klasifikace SFA/AWS A5.15-90 ENi-CI DIN 8573 Approx. ENi-BG-13

Typické chemické sloţení Typické mechanické vlastnosti čistého svarového kovu čistého svarového kovu C 0,9 Teplota přesušení 200 °C. Si 0,8 Doba přesušení 3 h. Mn 0,3 Fe app.5 Ni 93

Tab. 8 Parametry elektrody E-S 723 [www.esab.com] Průměr, mm Délka, mm Svařovací proud, A Počet elektrod/kg Svarového kovu Výkon navaření kg Svar. Kovu/hod hoření oblouku T – doba hoření elektrody, s

2,5 300 55-110 90

3,2 350 80-140 45

4 350 100-190 30

0,8

1,2

1,8

80

65

65

29

5.1.2 Pouţitá metoda svařování el. obloukem za pouţití elektord ESAB Při obloukovém svařování je svařovaný materiál připojen k jednomu pólu zdroje, kovová svařovací elektroda k druhému pólu. Na začátku svařování se dotykem elektrody a materiálu vytvoří elektrický oblouk a poté se elektroda vede těsně nad svařovanými místy. Ţárem oblouku se svařovaný materiál i elektroda taví, tavenina po ztuhnutí dokonale spojí svařované součásti. Před intenzivním světlem se musí svářeč chránit ochranným filtrem.

Obr. 7 El. oblouk [www.cez.cz/edee/content/microsites/elektrina/f/f2-10.jpg]

5.2 Metalografický rozbor Se

zabývá

pozorováním

a

studiem

struktur

materiálu

metalografickým

mikroskopem. Účelem tohoto pozorování kovů a slitin je obvykle zjistit, které strukturní fáze materiál obsahuje a v jakém jsou mnoţství. Pro pozorování struktury materiálu na metalografickém mikroskopu je zapotřebí provést následující druhy operací: zvolení místa, odkud bude odebrán vzorek. odebrání vzorků, při kterém nesmí dojít k tepelnému ani mechanickému, ovlivnění struktury, preparace vzorku – zalévání nebo zalisování, broušení brusnými papíry, leštění diamantovými pastami, leptání.

[6]

30

Odběr vzorku Odběr materiálu byl proveden tak, aby struktura materiálu nebyla ovlivněna tepelným namáháním ani mechanickou deformací (při odřezávání je nutno vzorek chladit).

[6]

Preparace vzorku S malými vzorky se špatně pracuje a není moţné dosáhnout rovinné plochy výbrusu. Proto je vhodné zvětšit pracovní plochu výbrusu preparací materiálu. Nejjednodušší způsob preparace je zalévání vzorku za studena do samotvrdnoucích pryskyřic nebo zalisování za tepla do polymerních materiálů.

[6]

Broušení Je prováděno ručně nebo mechanicky na automatických bruskách. Účelem je dosáhnout co nejmenších povrchových nerovností vzorku. S broušením materiálu začínáme na hrubozrnném brusném papíru a pokračujeme postupně na papíry jemnější. Před přechodem na jemnější brusný papír je nutné vzorek důkladně opláchnout, aby se hrubá zrna vydrolená z předchozího brusného papíru nevnesla na papír jemnější. [6] Leštění Je finální operací, která ještě více zmenšuje nerovnost povrchu vzorku po broušení. Leštění se provádí na metalografických leštičkách. Pro tuto operaci se nejčastěji pouţívá diamantová brusná pasta.

[6]

Leptání Na vyleštěných vzorcích je jiţ moţné provádět pozorování některých strukturních sloţek, např. grafitu v litinách. Pozorování vlastní struktury materiálu je však moţné aţ po odstranění vrstev kryjicích povrch vzorku. Toto se provádí leptáním. Leptání je tedy závěrečná část přípravy metalografického vzorku, jejíţ podstatou je vyvolání struktury vzorku materiálu. Většinou se pouţívá chemické leptání, které spočívá v ponoření vzorku do vhodného leptadla. Leptadly bývají alkoholické roztoky kyselin. Nejpouţívanějším leptadlem je dvou aţ čtyřprocentní roztok kyseliny dusičné v alkoholu, který se běţně nazývá „Nital“.

[6]

31

5.2.1 Měření mikrotvrdosti HV Jednou z nejpřesnějších konstrukcí je u nás pouţívaný Hanemannův mikrotvrdoměr. Vnikací tělísko – Vickersův jehlan – je usazeno přímo do speciálního objektivu, který se vloţí místo normálního objektivu do metalografického mikroskopu. Objektiv je zavěšen na pruţných membránách, které dovolují pohyb ve směru optické osy. Prohnutí membránových pruţin, kterému odpovídá zatíţení působící na diamant, se měří na obraz zatěţovací stupnice uvnitř objektivu. Po odlehčení a zaostření na strukturu se pomocí měřícího okuláru změří vytvořený vtisk. Objektiv se nasune pomocí liţin na místo objektivu. Místo okuláru se rovněţ pouţije speciální nástavec, na kterém se přímo odečítá délka úhlopříčky daného vpichu. [http://www.ateam.zcu.cz/Zkousky_tvrdosti.pdf]

Obr. 8 Objektiv s mikrotvrdoměrem Zkouška mikrotvrdosti: Základní materiál ČSN EN 422415 Elektroda E-S 716 ČSN 05 5010 Elektroda E-S 723 ČSN 05 5010

Tab. 9 Mikrotvrdost HV (elektroda E-S 716) Číslo měření 1 2 3 Svar 236 233 236 Přechodová 455 472 464 oblast (TOO) Základní 297 292 297 materiál

32

4 230 455

5 236 464

Průměr 234 462

288

292

293

Tab. 10 Mikrotvrdost HV (elektroda E-S 723) Číslo měření 1 2 3 Svar 222 224 214 Přechodová 391 397 391 oblast (TOO) Základní 297 292 297 materiál

4 222 384

5 222 391

Průměr 221 391

288

292

293

Litina

Svar

TOO

Obr. 9 Přechodové pásmo zvětšeno 150x 5.2.2 Svarový kov, tepelně ovlivněná oblast (TOO) Struktura a vlastnosti svarového kovu jsou závislé na primární krystalizaci, která probíhá od roztavení kovu aţ po následující poměrně rychlé ochlazení. Naproti tomu vlastnosti tepelně ovlivněné oblasti závisí na procesech probíhajících v tuhém stavu při ohřevu a chladnutí základního materiálu. Velikost tepelného ovlivnění materiálu je dána reţimem svařování, velikostí svařence, vlastnostmi materiálu, způsobem ohřevu atd. Roztavená svarová lázeň, která vznikne působením tepelného zdroje při svařování, je ohraničena základním materiálem. Mezi svarovým kovem a základním materiálem je zóna částečného natavení, která se někdy nazývá oblastí společné krystalizace nebo přechodovou oblastí. Tato oblast má velký význam při tvorbě struktury svarového kovu, protoţe

krystalizace

začíná

na

povrchu

částečně

[http://technik.ihned.cz/c4-10002530-13608970-800000_d-svarit]

33

natavených

zrn.

5.3 Popis jednotlivých struktur

Obr. 10 Základní materiál šedá litina zvětšeno 400x Šedá litina je charakterizována lupínkovým grafitem, coţ je velice dobře patrné z obr. 10. Lupínky jsou uloţeny v kovové matrici, která je tvořena velkou dispersitou perlitických lamel.

Elektroda Esab E-S 716

Obr. 11 Svar provedený elektrodou Esab E-S 716 zvětšený 150x Na obr. 11 jsou znázorněny všechny 3 základní struktury (svar, TOO, základní litina).

34

Obr. 12 Svar provedený elektrodou Esab E-S 716 zvětšený 400x Z detailního pohledu na TOO, který je na obr. 12 je zřejmé minimální tepelné ovlivnění.

Obr. 13 Svar provedený elektrodou Esab E-S 716 makro Celkový makroskopický pohled můţe odhalit nedokonalosti svaru v podobě dutin a pórů, coţ je patrné z obr. 13.

35

Elektroda Esab E-S 723

Obr. 14 Svar provedený elektrodou Esab E-S 723 zvětšený 150x Charakteristiku TOO dobře vystihuje obr. 14. Vhodnost zvolené elektrody je patrná z minimální tepelně ovlivněné oblasti, která v bezprostřední vzdálenosti od svarového kovu dosahuje dle měřítka 350 µm.

Obr. 15 Svar provedený elektrodou Esab E-S 723 zvětšený 400x Na detailnějším pohledu viz obr. 15 je patrné i vytvoření lupínků grafitu v TOO coţ vystihuje pozvolný sestup teplot při chladnutí svarového kovu.

36

Obr. 16 Svar provedený elektrodou Esab E-S 723 makro Iniciátorem trhlin jsou z 90 % přechodové fáze v TOO. Na makroskopickém pohledu viz obr. 16 je patrná “ostrá hranice” mezi jednotlivými fázemi (svar, základní material). Z podrobnějšího snímku viz obr. 15 je ovšem zřejmé, ţe tato “ostrá hranice” neobsahuje ţádné karbidové fáze či jiné zárodky bílé litiny, které by zvyšovali potenciální napětí v dané oblasti. Vizuálně “ostrý přechod” je dán vysokým podílem niklu ve svarovém kovu. Kvalitu svarového spoje zaručuje právě tento prvek, který vytváří houţevnatou austenitickou strukturu, jejíţ mechanické vlastnosti jsou do značné míry obdobné se základním materiálem.

37

6

ZÁVĚR Na odvětví zabývající se svařováním jsou kladeny čím dál vyšší nároky. V problematice týkající se LITIN tyto podmínky platí dvojnásobně. Poţadavky

jsou kladeny jak na kvalitu svaru tak na samotné materiály. Bakalářská práce se zabývá především problematikou, týkající se svařování litin, ale také problematikou litin obecně. Jejich sloţením, strukturou, značením. Dále pojednává o významu svařitelnosti litin. Detailně jsou popsány různé metody svařování, jako např.: svařování el. obloukem, svařovaní wolframovou elektrodou (WIG), svařovaní plamenem. Část práce je věnována popisu postupu svařování litin. Je zde objasněna problematika přídavných materialů pouţívaných při svařování. V neposlední řadě byla popsána příprava spoje či přehled druhů svařování vhodných pro litiny (svařování za tepla, polotepla, studena). Experimentální část je zaměřena na praktické zhotovení vzorků v dílenských podmínkách běţného provozu. Jedná se o klasické svařování elektrickým obloukem, jako základní material byla zvolena šedá litia dle ČSN 422415. Pro porovnání kvality svaru byly pouţity elektrody na renovaci litinových součástí za studena. Jedná se o výrobky firmy Esab E-S 716 a E-S 723. Dle metalografických výbrusů je patrné, ţe základní materiál reprezentuje klasickou šedou litinu s lupínkovým grafitem. Na obr. 10 je zřejmá perlitická matrice s vysokou disperzitou perlitických lamel. Samotný ferit se vyskytuje pouze ojediněle. Dle dané struktury lze usuzovat na normalizační ţíhání. Elektroda E-S 716 dosahuje uspokojivých hodnot. Z obr. 12 je patrné kvalitní promísení základního materiálu se svarovým kovem. Vyskytují se zde ovšem přechodové strukturální fáze, které zásadně ovlivňují houţevnatost TOO. Toto tvrzení je patrné z tab. 9, kdy průměrné hodnoty mikrotvrdosti dosahují v této oblasti 462 HV. U vzorku se rovněţ projevil defekt svarového kovu v podobě dutiny u kořene svařence. Vada ovšem nemusí být zapříčiněna danou elektrodou, ale chybou svářeče. Elektroda E-S 723 reprezentuje svarový kov s vysokým podílem niklu. Tento prvek má zásadní vliv na kvalitu tepelně ovlivněné oblasti. Jelikoţ podporuje tvorbu austenitu, je potlačen vznik přechodových fází a šíření přídavných trhlin. Z obr. 15 je patrný pozvolný pád teploty svařence, který příznivě formuje vylučování uhlíku opět ve formě

38

grafitu. Makroskopický výbrus na obr. 16 zastupuje kvalitně provedený svár bez příznaků pórů a dutin. Pro úplnou charakteristiku kvality svaru je ovšem zapotřebí provést další zatěţovací mechanické zkoušky, které by prokázaly odolnost tepelně ovlivněné oblasti proti vzniku trhlin.

39

7

POUŢITÁ LITERATURA [1]

Kuncipál, J. a kol.: Technologie svařování a zařízení. ZEROSS Praha 1986, 395 s, 1. vydání, ISBN 80-85771-81-0.

[2]

Doc. Ing. Vlastimil Chrást, CSc.: Prezentace svařování litin

[3]

ESAB, Opravy a údržba, Esab Wamberk Kolín 2008, 134 s, 5. Vydání

[4]

Ing. Jiří Barták, CSc. a kolektiv autorů: Svařování kovů v praxi. VARLEG DASHÖFER, Praha 2009.

[5]

Ing. Josef Filípek, CSc.: Technické materiály (přednášky). VŠZ v Brně 1988, 196 s, 1. Vydání,

[6]

Martin Dvořák: Renovace strojních součástí ze šedé litiny, bakalářská práce, MZLU Brno 2007.

[7]

Rudolf Krňák: Svařování litiny, Státní nakladatelství technické literatury Praha 1960.

[8]

ESAB, Opravy a údržba, Esab Wamberk Kolín 2008, 134 s, 5. Vydání Internetové odkazy: www.esab.com http://www.ateam.zcu.cz/Zkousky_tvrdosti.pdf http://technik.ihned.cz/c4-10002530-13608970-800000_d-svarit

40

8

SEZNAM OBRÁZKŮ

Obr. 1 Uspořádání iontů v krist. mřížce ......................................................................... 10 Obr. 2 Základní pojmy svařování ................................................................................... 10 Obr. 3 Grafit ................................................................................................................... 16 Obr. 4 Svařování el. obloukem........................................................................................ 23 Obr. 5 Plamenové svařování ........................................................................................... 24 Obr. 6 Metoda WIG ........................................................................................................ 24 Obr. 7 El. oblouk ............................................................................................................. 30 Obr. 8 Objektiv s mikrotvrdoměrem ............................................................................... 32 Obr. 9 Přechodové pásmo zvětšeno 150x ....................................................................... 33 Obr. 10 Základní materiál šedá litina zvětšeno 400x ..................................................... 34 Obr. 11 Svar provedený elektrodou Esab E-S 716 zvětšený 150x .................................. 34 Obr. 12 Svar provedený elektrodou Esab E-S 716 zvětšený 400x .................................. 35 Obr. 13 Svar provedený elektrodou Esab E-S 716 makro .............................................. 35 Obr. 14 Svar provedený elektrodou Esab E-S 723 zvětšený 150x .................................. 36 Obr. 15 Svar provedený elektrodou Esab E-S 723 zvětšený 400x .................................. 36 Obr. 16 Svar provedený elektrodou Esab E-S 723 makro .............................................. 37

9

SEZNAM TABULEK

Tab. 1 Označování poloh při svařování.......................................................................... 12 Tab. 2 Značení litin ......................................................................................................... 15 Tab. 3 Svařitelnost šedé litiny (obsah C, Mn…) ............................................................. 20 Tab. 4 Druhy svařování a přídavných materiálů ............................................................ 28 Tab. 5 Vlastnosti elektrody E-S 716 ............................................................................... 29 Tab. 6 Parametry elektrody E-S 716 .............................................................................. 29 Tab. 7 Vlastnosti elektrody E-S 723................................................................................ 29 Tab. 8 Parametry elektrody E-S 723 .............................................................................. 29 Tab. 9 Mikrotvrdost HV (elektroda E-S 716) ................................................................. 32 Tab. 10 Mikrotvrdost HV (elektroda E-S 723) ............................................................... 33

41

42