5) Modifikace siluminů:
TEST A 2) PERLIT Eutektoid vzniklý rozpadem austenitu podle metastabilního systému. Je tvořen feritem a perlitickým cementitem, který mu dodává větší pevnost a tvrdost, než má ferit. Perlit má dvě morfologické formy - lamelární a globulární: - lamelární perlit - (v odlitcích obvyklá forma - vzniká při běžném chladnutí odlitků), je tvořen lamelami feritu a cementitu, které rostou rovnoběžně vedle sebe. Z jednoho zrna austenitu obvykle vzniká několik zrn perlitu s rozdílnou orientací lamel - obr.5. Obr. 5.: Schema vzniku perlitu - globulární- vzniká sbalením lamel cementitu při sferoidizačním žíhání. Litiny s globulárním perlitem mají ve srovnání s perlitem lamelárním lepší obrobitelnost. Vlastnosti perlitu: Ve srovnání s feritem má perlit vyšší pevnost a tvrdost, horší plastické vlastnosti, horší obrobitelnost, vyšší odolnost proti opotřebení. Perlit je v litinách nositelem pevnosti a tvrdosti (Rm asi 800 MPa, Obr. 6: Dispersita lamelárního perlitu HB = 280). Vlastnosti perlitu významně závisí na "hustotě perlitu" dané jeho dispersitou. Dispersita je určena vzdáleností dvou sousedních lamel feritu - obr.6. Čím hustější je perlit, tím vyšší jsou mechanické vlastnosti.
3) METODA SANDWICH Modifikace se provádí v otevřené pánvi, v jejímž dně je komůrka, provedená jako prohlubeň, nebo od ostatního prostoru oddělena keramickou příčkou - obr. 42. Modifikace se většinou provádí jednostupňově a to tak, že na dno komůrky se uloží dávka předlitiny Mg, na ni vrstva očkovadla FeSi a překryje ocelovým plechem nebo plechovými odstřižky. Vrstva oceli brání vyplavání slitiny hořčíku a očkovadla (obě jsou lehčí, než litina) na hladinu a oddaluje začátek modifikační reakce. Ocel má tvořit pokud možno těsný kryt. Používají se předslitiny FeSiMg s obsahem 5-6 % Mg. Množství předslitiny bývá 1,2-2,0 %. Hmotnost krycí oceli bývá kolem 1 % hmotnosti zpracovávané litiny a její tloušťka nemá být menší, než 2 mm (rovněž v závislosti na objemu pánve). Modifikace probíhá tak, že nalitý kov musí nejprve protavit plech a tak se oddálí okamžik nastartování reakce hořčíku. Během této doby se obvykle stačí pánev zaplnit a metalostatický tlak litiny sníží bouřlivost reakce. Je výhodné, aby metalostatický tlak byl co největší, proto se často používají specielní štíhlé a vysoké pánve. Kov se nalévá mimo komůrku s předslitinami. Obr. 42: Pánev pro metodu SANDWICH Modifikační reakce bývá, dosti bouřlivá, zejména při vyšších teplotách litiny a dochází k rozstřikování kovu. Při modifikaci dochází ke ztrátě teploty kolem 30-50 K (u velkých pánví méně, u malých pánví více), využití hořčíku 40-50 %. Dochází rovněž ke ztrátám obsahu uhlíku asi 0,05-0,1 % C. V případech, kdy se LKG ve slévárně vyrábí jen výjimečně, je možno modifikaci podobným způsobem provádět i v obyčejné pánvi, v níž se všechny komponenty umístí na dně do rohu pánve a překryjí ocelovými odstřižky. Je ovšem nutno počítat s nižším využitím Mg a s větším kolísáním obsahu Mgzbyt.
4) Druhy siluminů:
Slitiny Al-Si, běžně nazývané jako siluminy, jsou nejdůležitějším typem slévárenských slitin hliníku a představují drtivou většinu produkce hliníkových odlitků. Slévárenské siluminy mívají obsah 5-13 %Si. Eutektická koncentrace je 12,5 %Si, eutektická teplota je 577oC. Rovnovážný diagram Al-Si je uveden na obr.4. Šedý obdélník vyznačuje rozmezí obsahu křemíku v používaných slitinách. Podle obsahu křemíku se siluminy dělí na: - podeutektické - eutektické - nadeutektické Struktura podeutektických siluminů je tvořena sítí primárních Čím vyšší je obsah křemíku, tím siluminy obsahují více než 5 %Si,
dendritů fáze α(Al) a eutektikem. více je eutektika. Podeutektické nejčastěji mezi 7 a 11 %Si. Eutektické siluminy obsahují 11,5pouze eutektikem, někdy (zejména vyskytují i jednotlivé krystaly hliníku. Nadeutektické siluminy obsahují v eutektické matrici. Obvyklý obsah siluminech je kolem 14-17 %Si, Obr.4: Rovnovážný diagram Al – Si
13 %Si. Jejich struktura je tvořena u modifikovaných slitin) se však částice primárního křemíku křemíku v nadeutektických vyjímečně do 20 %Si.
-1-
Modifikací se dosahuje zjemnění eutektického křemíku. Tím se mírně zvyšují pevnostní vlastnosti, podstatně však rostou vlastnosti plastické, tažnost a houževnatost. Modifikované slitiny dosahují tažnosti i vyšší než 8 % oproti běžným 23% u slitin nemodifikovaných. Modifikační účinek má sice řada prvků, pro modifikaci slévárenských slitin Al-Si, ale prakticky se používá pouze sodíku a stroncia. Účinek sodíku je podstatně silnější než účinek stroncia. Modifikace je důležitá zvláště: - u slitin s velkým obsahem eutektického křemíku - tedy u slitin eutektických a mírně podeutektických - při pomalém tuhnutí-tedy při odlévání silnostěnných odlitků a při lití do pískových forem
Modifikace sodíkem Sodík je nejsilnějším modifikačním prvkem. Modifikační účinek působí spolehlivě i při pomalém ochlazování, např. při odlévání silnostěnných odlitků do pískových forem. Pro získání plně modifikované struktury musí slitina obsahovat asi 50-100 ppm sodíku (t.j. 0,005-0,01 %). Čím větší je obsah křemíku ve slitině (tj. více eutektika), tím vyšší musí být obsah sodíku. Stejně tak čím pomalejší je tuhnutí, tím vyšší je dávkování sodíku. Sodík zvyšují sklon k oxidaci taveniny a zhoršuje zabíhavost. Sodík je velmi reaktivním prvkem s vysokou afinitou ke kyslíku, intenzivně reaguje s vodou a s jakoukoliv formou vlhkosti. (Kovový sodík se udržuje pod petrolejem.) V roztaveném hliníku se sodík rozpouští prakticky okamžitě. Páry sodíku při modifikaci způsobují bouřlivý var. Modifikační prostředky se musí rychle ponořit ke dnu kelímku ponorným zvonem a tam držet po celou dobu reakce. Využití sodíku pro modifikaci je nízké – obvykle pouze 10-20 % z přidaného množství. Čím vyšší je modifikační teplota, tím je využití sodíku nižší. Z lázně se sodík postupně vypařuje a uniká z taveniny Modifikační prostředky Pro modifikaci se používá buď sodík kovový nebo jako modifikační soli. Kovový sodík se vzhledem k vysoké reaktivnosti dodává ve vakuovaných patronách z tenkého hliníkového plechu. Patrony se v lázni rychle roztaví a chemicky nevnášejí do taveniny žádný cizí prvek. Vyrábí se v několika velikostech s různým obsahem sodíku, což usnadňuje dávkování podle hmotnosti kovu v kelímku. Patrony se zvonem ponoří ke dnu lázně a drží se tam do ukončení reakce. Sodík se dávkuje obvykle v množství 0,05-0,1 %Na - tj. 50-100 g Na/100 kg kovu. Modifikační soli jsou směsí chloridů a fluoridů (typická kombinace je NaCl+KCl+NaF – tzv. sůl T3), které se dodávají s práškové podobě, jako granule nebo častěji jako tablety s různými názvy. Modifikační sůl nebo tableta se zvonem ponoří ke dnu lázně. Po odeznění reakce se lázeň zamíchá, produkty reakce se nechají vyplavat na hladinu a pečlivě stáhnou. Za 5-10 minut je tavenina připravena k lití. Dávkování přípravků bývá kolem 0,8-1,0 % na hmotnost taveniny. Některé druhy modifikačních solí jsou sestaveny tak, že při modifikaci vzniká exotermický efekt - vyvíjí se teplo, které zvyšuje teplotu strusky. Při použití těchto prostředků vznikají „suché“ stěry s menším obsahem kovového hliníku a snižují se tak ztráty kovu. Odeznívání modifikačního účinku sodíku Po ukončení modifikační reakce se sodík vypařuje z hladiny taveniny a jeho obsah v lázni se postupně snižuje. To je příčinou postupného slábnutí modifikačního účinku až jeho zániku. Tomuto jevu se říká odeznívání modifikace. Během odeznívání se struktura slitiny postupně vrací zpět do stavu před modifikací. Rychlost odeznívání závisí na řadě vlivů, zejména na teplotě kovu, na velikosti povrchu hladiny vůči objemu kovu a na pohybu kovové lázně po modifikaci – obr.24. Při modifikaci sodíkem lze obvykle počítat s dobou modifikačního účinku 15-20 minut, maximálně do 30 min. Jestliže je doba mezi modifikací a odléváním delší než asi 30 min, musí se tavenina domodifikovat menší dávkou modifikačního prostředku. Obvykle se doporučuje modifikovanou slitinu odlít do 10 až 15 min. Doba modifikačního účinku se zkracuje: - při vysoké teplotě kovu - v kelímcích s malým objemem (relativně velká plocha hladiny) - při míchání a přelévání modifikovaného kovu Aby se dosáhlo prodloužení modifikačního účinku v udržovacích pecích, používají se modifikační tablety s pomalým rozpouštěním v lázni. Hustota tablet je přibližně stejná, jako hustota taveniny, tzn. že se v lázni vznáší, pomalu se rozkládají a postupně nahrazují ztráty sodíku. Ke ztrátám sodíku dochází rovněž při odplyňování taveniny. Při probublávání kovu jakýmkoliv druhem plynu sodík difunduje do bublin a s nimi uniká z taveniny. Sodík má vysokou afinitu ke chloru a fluoru, proto nelze modifikovanou slitinu v žádném případě odplyňovat přípravky, které obsahují chlor nebo fluor. I krátké probublání taveniny chlorem zcela zruší modifikační účinek sodíku. Modifikace proto má následovat až po odplynění. MODIFIKACE STRONCIEM Stroncium je lehký kov s tavicí teplotou 770 oC. Je mnohem méně reaktivní, než sodík a dává vysoké a stabilní využití. Používá se jako předslitina s hliníkem s obsahem obvykle 3,5 až 10 %Sr. Stroncium se do taveniny dostává rozpouštěním, přičemž čím vyšší je teplota taveniny, tím rychleji se předslitina rozpouští a tím rychleji nabíhá modifikační účinek. Aplikace předslitin stroncia do taveniny je velmi snadná. Modifikační předslitiny se obvykle dodávají jako tyče o průměru asi 10 mm s délkou kolem 0,5 m nebo malé housky („čokoláda“). Dávkování se provádí stanovením počtu tyčí nebo dílů „čokolády“ na určitou hmotnost taveniny. Předslitina se jednoduše ponoří do roztaveného kovu. Pro rychlejší náběh modifikačního účinku je výhodné, když dochází k pohybu taveniny, např. indukčním mícháním. Jestliže tavicí pec nezajišťuje pohyb taveniny, je nutné lázeň homogenizovat občasným mechanickým mícháním. Účinek stroncia je vždy slabší, než účinek sodíku. Při dávkování lze počítat asi s 90 % využitím Sr.
-2-
MODIFIKACE ANTIMONEM U antimonu se nejedná o modifikaci v pravém slova smyslu. Účinkem Sb vzniká pouze struktura s jemným, lamelárním křemíkem (ne s tyčinkovým modifikovaným jako po modifikaci sodíkem a stronciem). Antimon se přidává do housek již v hutích v množství 0,1-0,3 %. Účinek modifikace antimonem je trvalý. Antimon ruší účinek sodíku a stroncia. Z důvodu nebezpečí kontaminace se slitinami s Na a Sr vsázkovými materiály a vratným materiálem se výslovně nedoporučuje ve slévárnách současně používat slitiny, modifikované sodíkem a slitiny, modifikované antimonem. V našich slévárnách se modifikace antimonem prakticky nepoužívá, velmi časté však je ve Francii. Reakcí antimonu s vodíkem vzniká jedovatý plyn SbH4. Přemodifikování slitiny Při překročení optimálního obsahu modifikačního prvku dochází k tzv. „přemodifikování“ slitiny. K přemodifikování sodíkem dochází při jeho obsahu nad asi 200 ppm Na. Přemodifikovaná struktura je typická výskytem hrubých útvarů křemíku na hranici zrn – obr.25 V důsledku odmíšení přebytečného sodíku vzniká na hranici zrn intermetalická fáze AlSiNa, která slouží jako krystalizační zárodky pro částice zrnitého křemíku. K podobnému jevu dochází při přemodifikování stronciem, kdy ve struktuře vznikají hrubší částice fáze Al4SrSi2. Hranice obsahu stroncia je asi 600 ppm. Důsledkem přemodifikování je pokles mechanických vlastností, zejména tažnosti. Kontrola modifikace Vzhledem k tomu, že využití modifikačního prostředku a případně reakce s doprovodnými prvky, mohou být tavbu od tavby rozdílné, je vhodné před litím ověřit stupeň modifikace. Zvláště při modifikaci sodíkem musí být tato zkouška velmi rychlá. Kontrola modifikace se provádí na základě chemického rozboru nebo termické analýzy. Laboratorně lze provádět metalografické hodnocení, obvykle porovnáním se vzorovými metalografickými etalony. Chemický rozbor, provedený spektrálními přístroji, určuje celkové množství modifikačního prvku. Vzhledem k velmi nízkým obsahům modifikačních prvků může být výsledek zatížen dosti velkou chybou. Spolehlivou metodou určení stupně modifikace je termická analýza. Princip hodnocení úrovně modifikace je snížení eutektické teploty vlivem modifikace až o 13 K. Mírou skutečné úrovně modifikace je rozdíl změřené eutektické teploty oproti nemodifikované slitině. Při modifikaci sodíkem se eutektická teplota při optimální modifikaci snižuje asi o 6-10 K, při modifikaci stronciem asi o 5-7 K (vždy podle druhu slitiny). Mezi množstvím modifikačního prvku ve slitině a snížením eutektické teploty je závislost, která vymezuje oblasti podmodifikované, správně modifikované, případně přemodifikované struktury – obr. 26. Hranice, které vymezují oblast správně modifikované a podmodifikované slitiny se liší podle druhu slitiny a modifikačního prvku. Vliv modifikace na vlastnosti hliníkových slitin Mechanické vlastnosti se modifikací zvyšují v takové míře, jak se liší struktury nemodifikované a modifikované slitiny. To např. znamená, že při lití do pískových forem, u nichž se modifikací výrazně zjemní struktura oproti slitině nemodifikované, bude nárůst mechanických vlastností vlivem modifikace velký. Naopak při lití do kovových forem nebo dokonce při lití pod tlakem se struktury v modifikovaném a nemodifikovaném stavu příliš neliší a proto i mechanické vlastnosti nebudou tolik rozdílné. Vliv modifikace na vlastnosti slitiny nezáleží na množstvíi modifikačního prvku, ale na dosažené struktuře. Modifikací se jen poměrně málo zvyšuje pevnost v tahu. Hlavní účinek modifikace se projevuje výrazným zvýšením tažnosti až nad 10 %. Zvláště v kombinaci s následným tepelným zpracováním, se také až o několik set procent zvyšuje houževnatost a rázová pevnost. Únavová pevnost se však téměř nemění. Modifikací lze dosti zvýšit index kvality Q. Změny slévárenských vlastností vlivem modifikace: - Zabíhavost se, podle většiny autorů, modifikací mírně zhoršuje. Tento vliv ale není jednoznačný a není příliš výrazný. - Sklon ke vzniku trhlin se modifikací snižuje - Sklon ke stahování se modifikací nemění. Snižuje se však sklon ke vzniku soustředěných staženin a zvyšuje se rozsah ředin a mikrostaženin - Modifikace částečně kompenzuje negativní vliv mikroporezity.
TEST B 3) K
indukčnímu ohřevu dochází vlivem působení magnetického pole, které vzniká v indukční cívce při průchodu střídavého proudu - obr. 37. Podle frekvence proudu se indukční pece dělí na: - středofrekvenční (obvykle 250-400 Hz) - na síťovou frekvenci (tj. 50 Hz) Proud s touto zvýšenou frekvencí se získává pomocí měniče frekvence. Pece na síťovou frekvenci pracují s běžnou frekvencí proudu 50 Hz a měnič tedy nepotřebují. Část zařízení, v němž je umístěna cívka, se nazývá induktor. Indukční cívka je tvořena měděným dutým profilem, kterým protéká chladicí voda. Podle umístění induktoru se indukční pece dělí na kelímkové a kanálkové. Obr. 37: Indukční ohřev kovové vsázky
-3-
Indukční kelímkové pece: U indukčních kelímkových pecí je tavicí kelímek umístěn přímo v ose indukční cívky - obr.38. Kelímkové pece mohou být jak na síťovou frekvenci, tak středofrekvenční Středofrekvenční kelímkové pece jsou nejčastějším druhem EIP, určených pro tavení. Skládají se měniče frekvence, dalších elektrických částí, řídicí jednotky a z vlastní tavicí pece . K jedné napájecí jednotce bývají obvykle připojeny 2 tavicí kelímky, které lze přepínat, někdy mohou tavit i současně. Tavicí kelímek je s napájecí jednotkou propojen pružným elektrickým vedením. Po natavení se obsah pece vylévá naklopením pece. Kelímek je vydusán žáruvzdornou vyzdívkou. Způsob provedení vyzdívky a zacházení s vyzdívkou během tavicí kampaně (čištění pece, způsob zavážení vsázky atd.) rozhodují o její životnosti. Průběžné opravy vyzdívky se provádí po každé tavbě (několika tavbách), po celkovém opotřebení se kelímek vybourá a znovu vyzdije. Středofrekvenční kelímkové pece umožňují natavovat z pevné vsázky běžné kusovitosti. Chemické složení vsázky může odpovídat požadovanému chemickému složení natavené litiny, často se však taví jen z ocelové vsázky a vratného materiálu. Chemické složení lze snadno upravovat pomocí nauhličovala a feroslitin. U kelímkových pecí na síťovou frekvenci je obtížné tavení z pevné vsázky běžné kusovitosti (potřebují větší kusovitost). Proto se taví buď na "startovací blok", nebo se pracuje s "tekutým zbytkem". Startovací blok je masivní kus vsázky, který byl odlit při předchozí tavbě a do kelímku se vkládá jako první složka vsázky. Startovací blok umožňuje natavení. Po jeho roztavení se přidává vsázka běžné kusovitosti. Způsob tavení na tekutý zbytek znamená, že se v peci trvale ponechává část taveniny, který se musí udržovat v tekutém stavu (nebo se použije kov, natavený v jiném agregátu). Oba uvedené způsoby jsou značně nepraktické.
4) očkování litin:
Očkováním se rozumí vnášení takových látek do roztavené litiny, které vedou ke vzniku zárodků pro krystalizaci grafitu. Očkování není přímo vnášením zárodků. Zárodky vznikají až vzájemnou interakcí mezi aktivními prvky v očkovadle a některými prvky, přítomnými v litině. Zvýšením počtu aktivních zárodků se zlepší podmínky pro nukleaci a růst grafitu. Důsledkem očkování je zmenšení sklonu ke vzniku zákalky, zjemnění grafitu a rovnoměrné vyloučení grafitu v celém odlitku. Čím větší je počet aktivních zárodků, tím dokonalejší je grafitizace. Litina s jemnozrnnou strukturou mívá obvykle lepší mechanické vlastnosti, než litina s hrubou strukturou. Vysoký počet eutektických buněk má však negativní vliv na vnitřní homogenitu litiny. Čím větší je dispersita grafitu (čím jemnější je grafit), tím více má litina sklon k endogennímu, kašovitému tuhnutí a ke vzniku pórovitosti. Příliš vysoký počet eutektických buněk proto není žádoucí. Význam očkování je tím větší, čím nepříznivější jsou podmínky pro grafitizaci - čím rychlejší je ochlazování odlitku a čím je chemické složení pro grafitizaci méně příznivé - nízký uhlíkový ekvivalent, dále malý obsah grafitizačních a naopak velký obsah karbidotvorných prvků. Při nedostatečném očkování vzniká nepravidelně rozložený grafit typu B, přechlazené formy grafitu typu D a E, nebo oblasti s metastabilní strukturou (zákalka). Důsledkem jsou špatné mechanické vlastnosti, nepříznivé slévárenské technologické vlastnosti a vysoká tvrdost. Pomocí očkování se zlepšuje obrobitelnost. Očkovadlo je tvořeno nosičem a krystalizační složkou.Nosič tvoří hlavní část hmoty očkovadla, sám o sobě však nemá očkující účinek. Nejčastější jsou očkovadla na bázi slitin Fe-Si. Očkovací složka je v očkovadle obsažena pouze v malé koncentraci, ale pro funkci očkovadla je nepostradatelná. Bylo prokázáno, že čistá slitina Fe-Si nemá očkovací účinek. Aktivními prvky jsou zejména Ca, Al, Sr, Ba nebo Zr. Tyto prvky reagují zejména s kyslíkem a sírou, tvoří s nimi nukleační zárodky grafitu. Tuto úlohu má ve ferosiliciu obvykle Ca a Al. Oba prvky tvoří oxidy typu CaO.SiO2 nebo CaO.Al2O3.2SiO2, které obalují jádro zárodku. Podobně působí stroncium a barium, které rovněž tvoří hexagonální silikáty typu SrO.SiO2 nebo BaO.SiO2, případně také společně s Al2O3. Jádro zárodku tvoří oxidy (např. MgO.SiO2) nebo sirníky CaS, MgS, CeS a jiné. Aktivní prvky tedy nemusí sami tvořit zárodky, ale aktivizují zárodky v litině již přítomné. Méně používaným typem jsou uhlíkatá očkovadla. Aktivní složkou je krystalický uhlík, jehož účinek je založen na mřížkové identitě s grafitem v litině. Uhlíkatá očkovadla kromě grafitické složky obsahují i část FeSi, kterým se vnáší aktivní prvky Ca a Al.Odeznívání očkovacího účinku: Účinek očkovadla na krystalizaci grafitu je časově omezený. Největší je bezprostředně po naočkování a s časem odeznívá. Odeznívání je způsobeno zejména koagulací zárodků, jejich hrubnutím a v důsledku toho rychlejšímu vyplouvání a rovněž v důsledku chemické homogenizace taveniny. Při homogenizaci mizí oblasti s místním
-4-
přesycením grafitotvorných prvků (Si, Al), které podporovalo nukleaci grafitu.Rychlost odeznívání je závislá zejména na druhu očkovadla (rovněž na složení litiny, teplotě, pohybu taveniny atd.). Odeznívání se projevuje snižováním grafitizační schopnosti, zvětšováním zákalky a postupným snižováním počtu eutektických buněk na výchozí stav před očkováním - obr.11. Z tohoto důvodu je nutno litinu odlít co nejdříve po naočkování, obvykle do 10 minut. Některé prvky, zejména Ba a Sr zpomalují rychlost Obr. 11: Odeznívání očkovacího účinku odeznívání a tím prodlužují maximální dobu do odlití, přibližně na 20 i více minut. Na obr.11 je znázorněno odeznívání očkovacího účinku jako pokles počtu eutektických buněk. Je zřejmé, že po očkování obvyklým FeSi je odeznívání rychlé. Očkovadlo s obsahem baria odeznívá pomaleji, z počátku však dává vysoký počet eutektických buněk. Očkovadlo se stronciem je výhodné tím, že dává jen menší počet eutektických buněk a přitom jeho účinek odeznívá pomalu. DRUHY OČKOVADEL OČKOVADLA NA BÁZI KŘEMÍKU Nejběžnějším druhem očkovadla je ferosilicium s obsahem kolem 65-75 % Si a obvykle 1-2 % Al a 0,2-1 % Ca. Nejlepšího očkovacího účinku se dosahuje, když jsou v očkovadle přítomny současně Ca i Al. Příliš vysoký obsah Al však podporuje vznik bodlin, vysoký obsah Ca vede ke vzniku struskovitých vměstků. Obsah obou prvků se proto volí s ohledem na konkrétní způsob použití. Komplexní očkovadla na bázi ferosilicia obsahují další krystalisačně aktivní prvky, jejichž účelem je zlepšení očkovacího účinku, zpomalení rychlosti odeznívání nebo zlepšení rozpustnosti při nízkých teplotách. Obvyklými prvky v komplexních očkovadlech jsou: Sr - (0,5-1,0 % Sr) zvyšuje rychlost rozpouštění očkovadla a to i při nízkých teplotách kovu. Očkovací účinek je i při nízkém dávkování dlouhodobý a velmi dobrý. Výhodou rovněž je, že se jen málo zvyšuje počet eutektických buněk. Ba - (1-6 % Ba) tvoří chemicky stálé zárodky s vysokou hustotou, které jen pomalu vyplouvají do strusky. Barium prodlužuje dobu očkujícího účinku. Zr - (1-6 % Zr) - má vysokou desoxidační schopnost, zajišťuje dobrý očkovací účinek, zpomaluje odeznívání. Váže dusík a tím omezuje nebezpečí vzniku bodlin. Mn - (až 10 % Mn) - zlepšuje rozpustnost očkovadla při nízkých teplotách litiny Ce - (0,5-1,0 % Ce, případně společně s dalšími kovy vzácných zemin) - tvoří velmi stabilní oxidy a sirníky, snižuje rychlost odeznívání. V očkovadlech se používá zřídka, častěji jako součást modifikátorů při výrobě LKG, kde kompenzuje antiglobulitisační účinek některých nečistot. Ti - (až 10 %) - používá se dosti zřídka a to pro očkování LLG a LVG (ne LKG, neboť Ti zabraňuje vzniku kuličkového grafitu). Váže dusík a snižuje nebezpečí bodlin. Titan však může spolu s uhlíkem tvořit karbidy TiC, které mají za následek zvýšené opotřebení řezných nástrojů. OČKOVADLA NA BÁZI UHLÍKU - obsahují obvykle kolem 30% krystalického uhlíku a asi 40-50 % křemíku. Tento typ nemá očkující účinek u litin s velmi nízkým obsahem síry - nelze jej tedy použít u LKG. Uhlíkatá očkovadla se obvykle hůře rozpouštějí a tvoří strusku. Pro očkování je proto nutná poměrně vysoká teplota kovu až nad 1450oC. Dávkují se obvykle do pánve v množství 0,4-0,8 %. ZPŮSOB OČKOVÁNÍ Při očkování litiny je nutno zajistit rozpuštění očkovadla a homogenisaci taveniny. Podmínkou účinného očkování je dostatečná teplota kovu, obvykle nad 1400 oC. Vzhledem k odeznívání očkovacího účinku je vhodné očkovat co nejpozději , aby se co nejvíce zkrátila doba mezi očkováním a litím, případně očkovat až v průběhu odlévání. To umožní výrazně snížit dávkování očkovadla.
teploty kovu tak, aby se ocelový plášť tavil (a očkování tak probíhalo) ve spodní části pánve. (Příliš rychlý posun, kdy neroztavený profil naráží do vyzdívky dna způsobuje poškození vyzdívky a naopak při pomalém posuvu dochází jen k očkování kovu v blízkosti hladiny.) Plněný profil se dodává navinutý na bubnech a součástí očkovacího zařízení musí být podavač s počítačem metrů - obr.14 Složení očkovadla se volí podle zkušeností sléváren a doporučení výrobce. Obsah očkovadla se udává v gramech v jednom délkovém metru. Dávkování se pak určuje jako délka profilu na určité množství kovu. Výhodou metody je snadné a jednoznačné dávkování a vysoké využití očkovadla. Nevýhodou vyšší cena plněného profilu oproti volnému očkovadlu. Dávkování při očkování LLG v licí pánvi je 0,1-0,2 %, u LKG 0,2-0,4 %. Očkování se provádí někdy i v mezipánvičce - obr. 15. - Očkování očkovacími tělísky - očkovadlo na bázi FeSi má tvar tělísek, které se umísťují do osazení na dno licí jamky, pod vtokový kůl, nebo do filtru (obr.16) .Velikost tělíska se volí podle množství kovu ve formě, dávkování je 0,05-0,1 %. - Očkování ve formě - metoda In-mold - očkovadlo se dávkuje do specielní komůrky, předformované ve vtokové soustavě. Kov, protékající komůrkou při lití postupně očkovadlo rozpouští a průběžně se očkuje. Tento způsob očkování vyžaduje odzkoušení pro každý druh formy. Je nutné dodržovat konstantní podmínky lití - složení kovu, licí teplotu, a zajistit spolehlivost dávkování očkovadla. Metoda je vhodná pro hromadnou výrobu, např. automobilních odlitků, kde je rovněž možno využít robotů pro dávkování a ukládání očkovadla do formy. Dávkování očkovadla Se zvýšeným dávkováním se zvyšuje počet eutektických buněk a zlepšuje se očkovací účinek, avšak pouze do určité meze. Příliš málo očkovadla znamená nedostatečný očkovací účinek a zákalku. Příliš mnoho očkovadla vede ke vzniku vysokého počtu eutektických buněk, tavenina tuhne v celém objemu endogenním způsobem (jako houstnoucí kaše) a důsledkem je vznik ředin. Očkovací účinek se přitom již nezvyšuje Vysoké dávkování, nevhodné složení očkovadla nebo nízká teplota kovu jsou příčinou struskovitosti odlitků.. Vzhledem k ceně očkovadel je při dávkování důležitá i ekonomická stránky problému. KONTROLA OČKOVACÍHO ÚČINKU Očkovací účinek je možno kontrolovat: - hloubkou zákalky na zákalkových zkouškách - pomocí křivek ochlazování - podle počtu eutektických zrn (podle disperzity grafitu) Pro provozní posouzení je pravděpodobně nejvhodnější hodnocení na zákalkových zkouškách, podle nichž zkušený tavič určí úroveň očkování poměrně dobře. Zkouška je velmi rychlá a nenáročná. Princip zákalkové zkoušky spočívá v odlití vzorku kovu do zkušební formy, přelomení ztuhlého vzorku a změření hloubky zákalky (metastabilní struktury bez vyloučeného grafitu). Používají se buď zkoušky konstantního průřezu s intenzivním odvodem tepla v jednom směru pomocí kovové chladicí desky – např. zkouška ISO (obr17) nebo zkoušky s proměnným průřezem (a tudíž proměnnou rychlostí chladnutí) – tzv. klínové zkoušky (obr.18). Hodnocení očkovacího účinku pomocí termické analýzy je založeno na vyhodnocení teplot a tvaru křivky v oblasti tuhnutí eutektika. Čím lepší očkování, tím menší je přechlazení pod rovnovážnou teplotou TErov. obr.19. Skladování očkovadel Očkovadla, která jsou delší dobu vystavena vlivu atmosférické vlhkosti oxidují a ztrácejí účinnost. Rovněž se zvětšuje množství vznikající strusky a mohou se objevit problémy se vznikem plynových dutin. Očkovadla by se měla skladovat v uzavřených kontejnerech nebo sudech, vždy v suchu a být chráněna před vlhkostí. Pokud se očkovadla ve slévárně drtí, měla by se drtit pouze dávka pro kratší období několika dnů.
Hlavními metodami očkování jsou:
VADY SPOJOVANÉ S OČKOVÁNÍM
- Očkování v pánvi - očkovadlo s vhodnou zrnitostí se vhodí do licí pánve v průběhu nalévání kovu z pece nebo z transportní do licí pánve v době, kdy je již zakryté dno kovem. Nemá se očkovat do úplně prázdné pánve, neboť je nebezpečí, že se očkovadlo nalepí na dno, naopak očkování do téměř plné pánve nezajistí jeho rozpuštění a homogenizaci lázně. Zrnitost očkovadla se volí podle teploty a zejména podle objemu kovu, od 2-4 mm u malých pánví do asi 30 i více mm u pánví velkých. Frakce pod 1 mm se nemají používat, neboť je nebezpečí jejich nalepování na stěny pánve a obalení do strusky. Z hlediska využití očkovadla je tato metoda nejméně výhodná, neboť vzhledem k dlouhé době od očkování do lití je nutné vysoké dávkování u LLG 0,2-0,4% u LKG 0,5-1,2 % i více. Tato metoda se často používá při přelévání z transportních do licích pánví.
Nesprávným použitím očkovadel vznikají některé vady:
- Očkování do proudu kovu (obr. 12) - používá se zejména při odlévání pomocí automatických licích zařízení. Očkovadlo s malou zrnitostí kolem 1 mm je kontinuálně, po celou dobu lití, vzduchem foukáno pomocí trubky do proudu kovu, který vytéká z pánve do formy nebo do mezipánve. Časový režim očkování a množství očkovadla se reguluje dávkovačem. Ovládání dávkovače bývá automaticky spřaženo s odlévacím zařízením. Očkování do proudu kovu se používá zejména u LLG, dávkování je 0,1-0,2 % FeSi.
- plynové dutiny, bodliny: očkovadlo nevhodného složení, vlhkost, dusík v očkovadle - vměstky z nerozpuštěného očkovadla: příliš velká zrnitost očkovadla, nízká teplota kovu, nevhodná technika očkování - struskové vměstky: přeočkování, nízká teplota kovu, nevhodný způsob očkování - flotace grafitu: nízká teplota kovu, přeočkování - staženiny a řediny: nevhodný druh očkovadla, přeočkování Druh, složení a množství očkovadla je nutné přizpůsobit konkrétnímu způsobu očkování, sortimentu odlitků, licí teplotě a druhu odlévaného materiálu.
5) vytvrzování siluminů:
Nejčastějším způsobem tepelného zpracování hliníkových slitin je vytvrzování. Vytvrditelné slitiny obsahují hořčík nebo měď Podle schopnosti slitiny k tomuto způsobu tepelného zpracování se hliníkové slitiny dělí na vytvrditelné a nevytvrditelné..
- Očkování plněným profilem – jemně drcené očkovadlo je obsaženo v dutém tenkostěnném ocelovém profilu o průměru obvykle 9 nebo13 mm – obr. 13, který se při očkování posouvá do taveniny. Rychlost posunu se reguluje podle
-5-
-6-
Teplotní režimy jednotlivých druhů tepelného zpracování jsou závislé na chemickém složení slitiny a na tloušťkách stěn odlitků. Žíhací teploty je nutno dodržovat v úzkém teplotním rozmezí. ± 3 K. To vyžaduje používat pece s přesnou teplotní regulací. Vytvrzováním se dosahuje podstatného zvýšení meze pevnosti Rm, meze Rp0,2 a tvrdosti. Tažnost slitin se obvykle poněkud snižuje. Vytvrzování se používá zejména u odlitků litých do pískových forem, do kovových forem gravitačně nebo nízkotlakým litím. Princip vytvrzování Výchozím polotovarem při vytvrzování je odlitek, který ve formě ztuhl běžným způsobem. Vytvrzování se skládá z následujících etap: -
o
rozpouštěcího žíhání – při teplotách obvykle 500-530 C/ 3-8 hod rychlého ochlazení ve vodě precipitačního vytvrzování a to buď: o za tepla - při teplotách 150-170 C/ 6-10 hod. (slitiny s obsahem hořčíku) za studena - při běžné teplotě/ uskladněním asi 1-2 týdny
teplota
homogenizační žíhání (520-540 oC, 3-8 h.)
ochlazení voda vytvrzování (150-170 oC, 6-10 h.)
čas Obr. 35: Diagram tepelného zpracování s vytvrzováním za tepla
6) ODPLYŇOVÁNÍ HLINÍKOVÝCH SLITIN: Odplyňování je metalurgická operace jejímž cílem je snížení obsahu vodíku v roztaveném kovu na takovou úroveň, aby při tuhnutí nedošlo k vyloučení bublin. Obsah vodíku po natavení závisí na druhu tavicí pece, na použitých vsázkových surovinách, vlhkosti použitých solí a na řadě dalších vlivů. Aby se zamezilo vzniku bublin je nutné obsah vodíku v 3 tavenině snížit pod 0,2, někdy až pod 0,1 cm /100 g Al. Přípustný obsah vodíku závisí na technologii odlévání (do písku, gravitačně do kokil, tlakové lití), na tloušťkách stěn (na rychlosti tuhnutí) a především na účelu použití odlitků. Obecně platí, že čím pomalejší je tuhnutí, tím vyšší je sklon ke vzniku bublin a tím dokonalejší musí být odplynění. Proto při odlévání do pískových forem a odlévání silnostěnných odlitků jsou nároky na odplynění vyšší, než při lití tenkostěnných odlitků a při lití do kovových forem. Při tlakovém lití odlitků s malými nároky na vnitřní kvalitu se často odplyňování nemusí provádět vůbec. Z výrobního hlediska je zajímavá závislost mezi naplyněním a stahováním. Bubliny mohou částečně nebo úplně kompenzovat stahování kovu při tuhnutí. Při odlévání naplyněné taveniny proto často není nutno nálitkovat. Naopak dobře odplyněná tavenina má větší sklon k tvorbě staženin. Pokud je v odlitku přípustný určitý obsah plynových bublin, může rozumný obsah plynu v tavenině požadavky na nálitkování dosti podstatně snížit. Tímto způsobem se také někdy odstraňují staženiny na těžko přístupných, například v přechodech mezi tenkými a tlustými stěnami. Tavenina se někdy záměrně naplňuje použitím naplyňovacích solí nebo tablet. O této možnosti ovšem rozhodují nároky na vnitřní kvalitu odlitků. Snížení obsahu plynů v hliníkových slitinách se provádí obvykle probubláváním taveniny plyny. Jak již bylo uvedeno, nemá pouhé odstátí taveniny podstatný vliv na snížení obsahu plynů. Odstátí jako metoda odplyňování proto nemá praktický význam. V některých slévárnách se provádí odplyňování vakuováním taveniny. Princip odplyňování probubláváním plyny K odstranění vodíku z taveniny dochází tak, že kovem v pánvi probublávají drobné bublinky neutrálního plynu. Při stoupání těchto bublinek ode dna směrem k hladině do nich difunduje rozpuštěný vodík a spolu s nimi se odstraňuje z kovu. Pro účinné odplynění je nutné, aby bublinky měly malý průměr (velkou plochu povrchu) a taveninou procházely pomalu po dlouhé dráze. Plyny, používanými pro odplyňování slitin hliníku (rafinační plyny) jsou dusík nebo argon. Velmi účinným plynem je chlor a fluor. Ty se však z hygienických důvodů již nesmí používat a nesmí být obsaženy ani v odplyňovacích solích. (V některých případech je přípustné použití odplyňovacích prostředků s velmi nízkým obsahem chloru.) Plyny musí být velmi čisté. (Plyny běžné technické čistoty naprosto nevyhovují.) Pro odplyňování se nejčastěji používá dusík s čistotou 99,995 %. Rafinační plyny se buď vhání do taveniny porézními trubicemi, porézními zátkami nebo odplyňovacími rotory, nebo se uvolňují z odplyňovacích solí a tablet. Bubliny se do kovu musí dostávat u dna pánve, aby procházely celým objemem kovu. Čím jsou bubliny menší, tím pomaleji vyplouvají a zlepšuje se odplynění. Odplyňování neutrálními plyny nezpůsobuje změnu obsahu ostatních prvků v kovu, ani neruší účinek očkovadel nebo modifikačních prvků. Pokud však tyto prostředky obsahují stopy chloru, dochází k reakci chloru se sodíkem nebo stronciem a modifikační účinek mizí. Modifikace se proto musí provádět až po odplyňování takovými prostředky.
Způsoby odplyňování Rafinační plyny se do taveniny dostávají: - rozkladem odplyňovacích solí - dmýcháním v plynné formě
-7-
Odplyňovací soli jsou směsí sloučenin, které se při teplotě taveniny rozkládají za vzniku plynného dusíku. Soli, v podobě prášku, granulátu nebo tablet se ponoří ke dnu tavicího kelímku pomocí ponorného zvonu, nebo se do taveniny dmýchají tryskou dusíkem. Po skončení reakce se vyčká, až reakční zplodiny vyplavou na hladinu a struska se z hladiny stáhne mimo kelímek. Druh solí se volí podle složení slitiny a teploty kovu. Odplyňování dmýcháním plynů se má provádět tak, aby bylo dosaženo co nejmenší velikosti bublin. Rafinační plyn se vhání do taveniny pomocí trubic s porézní zátkou, porézních tvárnic nebo pomocí rotačních impelerů. Jako odplyňovací trubice může být použita grafitová nebo keramická trubka, opatřená porézní zátkou. Porézní zátky se vyrábí z porézní keramiky nebo z porézního grafitu. Trubice se ponoří ke dnu kelímku tak, aby dráha plynu v kovu byla co nejdelší. Doba odplyňování bývá alespoň 5-10 min. případně i déle. Pokud by se použila trubice s otevřeným koncem bez porézní zátky vznikají bubliny velkého průměru, které jsou pro odplynění neúčinné. Použití porézních odplyňovacích trubic je vhodné v malých a středních slévárnách pro menší velikosti kelímků. Porézní tvárnice bývají trvale zabudovány do vyzdívky ve dně tavicí pece nebo specielní odplyňovací pánve. Jejich účinek je prakticky stejný, jako u ponorných odplyňovacích trubic. Umístění trubic nebo porézních tvárnic musí současně zajistit míchání lázně. Rotorová zařízení jsou odplyňovací jednotky, v nichž se nosný plyn vhání do taveniny grafitovým rotorem. Taková zařízení dodává např. fy. Foseco pod názvem FDU (Foundry Degassing Unit) (obr.31), fy. StrikoWestofen zařízení DC 2 a další výrobci. Rotor má tvar lopatkového kola a je výměnným způsobem nasazen na dutém hřídeli, poháněným elektromotorem. Plyn se do rotoru vhání osou hřídele z tlakových bomb. Rotor se otáčí rychlostí, 300-500 otáček/min. a do taveniny vhání drobné bublinky plynu o průměru kolem 1-3 mm. Jako nosného plynu se používá převážně dusíku, méně často argonu. Velmi drobné bublinky plynu a intenzivní míchání taveniny zajišťují rychlé a účinné odplynění. Doba odplyňování obvykle nepřesahuje 3-5 min. Srovnání velikosti bublin, které vznikají z otevřené trubky a z rotačního impeleru je na obr. 32. Měření naplynění taveniny Metody měření obsahu vodíku v tavenině musí umožňovat rychlé zjištění výsledku s dostatečnou přesností za provozně přijatelnou dobu. Provozní metody jsou obvykle založeny na optickém pozorování a vyhodnocení vzhledu hladiny vzorku kovu, který ztuhl při atmosférickém tlaku nebo za podtlaku. Vodík se při tuhnutí vylučuje z kovu v podobě bublin, které v něm expandují a zůstávají uzavřeny pod tuhnoucí kůrou. Vznik bublin se projeví „růstem“ vzorku. Hladina vzorku s nízkým obsahem vodíku proto má propadlý tvar, hladina naplyněného vzorku má tvar vypuklý. Míra „propadnutí“, nebo „růstu“ hladiny může sloužit jako měřítko stupně naplynění. Podstatného zvýšení citlivosti této metody se dosáhne při tuhnutí vzorku za podtlaku - tzv. metoda první bubliny. Polokvantitativní vyhodnocení zkoušek tuhnutí za podtlaku lze provést vizuelním srovnáním řezu hodnoceného vzorku se vzorníkem – obr. 33. Metoda dvojího vážení V současné době se naplynění obvykle stanovuje tzv. metodou dvojího vážení. Principem metody je porovnání hustoty vzorku slitiny, který ztuhl při atmosférickém tlaku se vzorkem, který ztuhl za podtlaku. Tavenina hodnocené slitiny se odebere z tavicí pece a nalije do dvou zkušebních kelímků (kovových, keramických nebo z pískových směsí – podle výrobce) s objemem asi 40-80 ml. Jeden vzorek se nechá ztuhnout při atmosférickém tlaku, druhý za definovaného podtlaku ve vakuované komoře. Hustota vzorku, který ztuhl při atmosférickém tlaku ρvz atm a vzorku, ztuhlého ve vakuu ρvzvak se zjistí zvážením na vzduchu a po ponoření do kádinky s vodou. Při vážení ve vodě je vzorek zavěšen na závěsném zařízení - obr. 34. Z hustot ρvz atm a ρvz vak se určí tzv. „index hustoty“ (z německého „Dichte Index“ označovaný jako DI). Některé přístroje počítají index hustoty již automaticky. Moderní přístroje, určené pro tuto metodu vyžadují pouze zvážení vzorku na vzduchu a ponořeného do vody. Výpočet hustoty se provádí automaticky. Měřicí zařízení sestává z těchto částí: - vakuované komory s možností přesného nastavení tlaku. Obvyklý tlak je 8 kPa -
přesných vah (požadovaná přesnost 0,01 g), s nádobkou na vodu a závěsem zkušebního vzorku. Váhy nesmí být umístěny v průvanu a v prašném prostředí. m2
1. fáze: příprava vzorek zvážit
2. fáze: určení objemu ponořit zavěšený vzorek
3. fáze: určení hmotnosti vzorku hustota vzorku - ρvz:
-8-
Obr. 34: Postup měření při metodě dvojího vážení Hodnota indexu hustoty po natavení bývá 2-10 %, velmi dobře odplyněná tavenina má e index naplynění DI kolem 1 %. Silně naplyněný kov má DI kolem 20-25 %. Měření touto metodou se provádí obvykle po provedeném odplynění. Protože vznik plynových bublin úzce souvisí s přítomností vměstků, vyjadřuje Index hustoty souhrnný vliv obsahu plynů a vměstků – tedy skutečný sklon slitiny ke vzniku bublin.
komín
vsázecí otvor
TEST C Kuplovny jsou šachtové pece, které fungují jako protiproudý výměník tepla. Zdrojem tepla v kuplovnách je nejčastěji koks, použití jiných druhů paliv - plyn nebo tekutá paliva je spíše vyjímečné. Kuplovna je tvořena ocelovým pláštěm a po celé výšce, nebo částečně vyzděná žáruvzdornou vyzdívkou. Základními částmi, ve směru shora dolů jsou - obr.31:
šachta
komín - část nad zavážecím otvorem šachta - část mezi zavážecím otvorem a dmyšnami nístěj - čast mezi dmyšnami a dnem kuplovny Komín - Odvádí celý objem spalin, nebo jejich část mimo prostor slévárny. Komín bývá osazen lapačem prachových exhalací. Moderní horkovětrnné kuplovny komín nemají a všechny spaliny jsou odváděny již pod sázecím otvorem mimo prostor pece, do rekuperátoru a filtrů. Sázecí otvor - slouží pro zavážení vsázky. Je přístupný ze sázecí plošiny. Zavážení vsázky se provádí obvykle skipovým výtahem nebo zavážecím jeřábem se zavážecím okovem. Zavážecí vozík skipu se pomocí konstrukce vedení překlápí a jeho obsah se vysype do šachty kuplovny. Zavážecí okovy pro zavážení zavážecím jeřábem bývají opatřeny dvoudílným vyklápěcím dnem. Každá dávka vsázky obsahuje všechny komponenty - kovovou vsázku, struskotvorné přísady a koks. Méně často se používají i jiné způsoby zavážení, např. vibrační. Systém zavážení má zajistit rovnoměrné rozložení vsázky v celém průřezu kuplovny. Pokud má vsázka v průřezu pece nestejnou výšku nebo nestejnou kusovitost, (případně některé složky vsázky se koncentrují u některého okraje) dochází k nerovnoměrnému, jednostrannému chodu kuplovny. Šachta - u starších pecí válcová, u moderních kuploven se směrem k nístěji mírně rozšiřuje. V horní části šachty dochází k předehřívání vsázky, ve spodní k tavení a přehřátí taveniny na odpichovou teplotu. Oblast, ve které dochází k tavení vsázky, se nazývá tavicí pásmo (viz obr. 31) Šachta kuplovny je obvykla vyzděna žáruvzdornou vyzdívkou. U bezvyzdívkových kuploven je šachta tvořena pouze vodou chlazeným ocelovým pláštěm. Rovněž u některých pecí s vyzděnou šachtou se používá vodního chlazení pláště, aby se zvýšila životnost vyzdívky. Velikost kuplovny se hodnotí průměrem šachty v oblasti dmyšen. Obvykle bývá mezi 700 - 1400 mm. S průměrem šachty (resp. s velikostí průřezu) souvisí tavicí výkon, který dosahuje asi 10-15 t kovu/m2.hod Dmyšny - slouží pro dopravení spalovacího vzduchu do kuplovny. Dmyšny bývají měděné, vodou chlazené. Počet dmyšen závisí na velikosti kuplovny. Obvyklý počet je 4 - 6. Každá z dmyšen má možnost samostatné regulace množství dmýchaného větru, která umožňuje řídit chod pece v dané oblasti. Průběh tavení je u každé dmyšny možno sledovat průzorem. Dmyšny je rovněž možno otevřít, aby bylo umožněno mechanické čištění v případě, že by docházelo k jejímu ucpávání natuhávající struskou. Nístěj - je část kuplovny pod úrovní dmyšen. U kuploven s periodickým odpichem (starší pece) slouží nístěj k akumulaci nataveného kovu. Odpich se provádí po zaplnění nístěje kovem, když hladina strusky dosahuje do blízkosti úrovně dmyšen. V tomto případě bývají dmyšny ve výšce přibližně 500 až 800 mm nade dnem kuplovny. Natavený kov se shromažďuje ve volných prostorách mezi kusy koksu. Využitelný objem tvoří asi 45 % objemu nístěje. Struska se vypouští struskovým otvorem, který je umístěn asi 200-300 mm nad odpichem kovu. Odpichový otvor pro kov i strusku se uzavírá jílo-grafitovou zátkou, kterou je nutno při dalším odpichu prorazit. Aby při odpichu nedocházelo k poškození vyzdívky kolem odpichového otvoru, je v těchto místech osazena specielní šamotová cihla. Tím, že je litina delší dobu ve styku se základovým koksem, dochází u těchto kuploven k většímu nauhličení a nasíření. U modernějších kuploven je obvyklý kontinuelní odpich. V tomto případě se nemá nístěj funkci zásobníku kovu a mívá menší výšku (kolem 300-400 mm). Natavený kov společně se struskou odtéká plynule odpichovým otvorem do sifonu, kde se struska odděluje od kovu. Ve stěně nístěje nade dnem kuplovny jsou pracovní dvířka. Ta slouží obsluze k přístupu do pece při opravách, k vypěchování dna a tudy se kuplovna také zapaluje. Po zapálení základového koksu se otvor zazdí, dvířka uzavřou a zajistí. Při tavení je nístěj a část šachty až do horního okraje tavicího pásma zaplněna základovým koksem. Základový koks tvoří v kuplovně jakýsi rošt, který nese celý sloupec vsázky. Při průchodu kapek roztaveného kovu vrstvou základového koksu do nístěje dochází k přehřátí kovu na konečnou teplotu a k řadě metalurgických reakcí mezi kovem, koksem, struskou a plynnou atmosférou, jejichž výsledkem je propal nebo přípal jednotlivých prvků. Správná výška vrstvy základového koksu je proto důležitým předpokladem správného chodu kuplovny. Jeho úroveň se kontroluje před zapálením pece (před zavážením kovové vsázky) měrkou. Během tavby dochází ke spalování základového koksu. Jeho úbytek se doplňuje pomocí vsázkového koksu.
-9-
předehřívací pásmo vodní chlazení tavicí pásmo okružní větrovod přehřívací pásmo
dmyšny
sifon odvod kovu
nístěj
Dno - je u kuploven s periodickým provozem dvoudílné vyklápěcí. Během tavby musí být jeho uzavření spolehlivě zajištěno zaklínováním a podepřením. Po ukončení tavby se dvířka dna otevřou a zbytky vsázky vypadnou do prostoru pod kuplovnou. Otevřeným dnem je možný přístup pro opravu vyzdívky kuplovny. Dno je vypěchováno suchým pískem nebo specielní vyzdívkovou hmotou - obr.32. U kuploven s dlouhodobým provozem je dno pece pevné, na pevných základech (viz obr. 31). Vstup do pece při opravách je možný pouze pracovním otvorem na boku pece. Vyzdívka - u kuploven s periodickým provozem je vyzděna nístěj a celá výška šachty. Různé části kuplovny mohou být, podle mechanického, tepelného a chemického namáhání, vyzděny různými materiály. Z metalurgického hlediska je důležitá vyzdívka tavicího pásma a nístěje. Podle chemického charakteru vyzdívky se rozlišují kuplovny kyselé, neutrální nebo zásadité. Druh vyzdívky musí odpovídat charakteru strusky. Během tavby dochází k odtavení vyzdívky v nejvíce tepelně namáhaných průřezech - zejména v oblasti dmyšen a v tavicím pásmu, k chemickému napadání tekutou struskou a rovněž k mechanickému opotřebení vyzdívky abrasivním účinkem vsázky - obr. 33. Opotřebení vyzdívky limituje maximální dobu tavby. Oprava vyzdívky se provádí po vychladnutí pece (obvykle druhý den po tavbě) vydusáním suché vyzdívkové hmoty podle šablony, nebo torkretováním (nastříkáním) vlhké žáruvzdorné hmoty torkretovacím zařízením - obr. 34. REŽIM PROVOZU KUPLOVEN Podle způsobu provozu se kuplovny dělí na pece s periodickým nebo kampaňovým provozem. KUPLOVNY S PERIODICKÝM PROVOZEM V pecích s periodickým provozem se taví pouze jeden den. Pracovní cyklus se skládá z přípravy kuplovny k tavbě, zapálení, vlastního tavení a ukončení tavby. Příprava kuplovny k tavbě spočívá z uzavření dna a jeho vydusání ve sklonu k odpichovému otvoru. Správné přípravě dna je nutno věnovat velkou péči, neboť může být příčinou předčasného ukončení tavby případně havarie. Důležité je zajistit sklon dna směrem k odpichovému otvoru, který je nejnižším místem nístěje. Velikost sklonu bývá asi 3-5o
- 10 -
(udává se rovněž 50-70 mm na 1 m průměru kuplovny. Zapálení kuplovny se provádí po zavezení základového koksu. Tavba začíná dmýcháním větru do kuplovny. První kapky roztaveného kovu je možno průzory ve dmyšnách pozorovat obvykle již za 8-10 min. Pokud to trvá déle, byla příliš vysoká úroveň základového koksu. V průběhu tavby se vsázka zaváží tak, aby se pec udržovala plná. K řízení zavážení se obvykle používají radioizotopová čidla, umístěná v horní úrovni šachty. Pokud je vsázka nad úrovní čidel, pohlcuje záření a systém zavážení je blokován. Po poklesu úrovně vsázky pod úroveň čidel se vydá automaticky povel pro zavezení dalšího vsázecího okovu. Ukončení tavby se provádí ukončením zavážení. Vsázka v peci se postupně vytaví, vypustí se poslední kov a dno pece se tzv. "podrazí". Při podražení z kuplovny vypadne pouze malý zbytek koksu a strusky na předem připravenou podlahu. Z bezpečnostních důvodů je nutno dbát na to, aby prostor pode dnem kuplovny byl vydusán ze suchého písku do tvaru jakési ploché vany, ve které se tento zbytek z kuplovny zachytí. Oprava se provádí po vychladnutí následující den. Oprava spočívá ve vyspravení opotřebených míst vyzdívky, odpichového otvoru a licího žlabu. Z tohoto důvodu se staví kuplovny s periodickým provozem vždy ve dvojicích - jedna pec taví, druhá se opravuje. Délka tavby je limitována opotřebením vyzdívky. Maximální doba tavby z tohoto důvodu nebývá delší, než 12-16 hodin denně, obvykle méně.. V důsledku opotřebení se během tavby zvětšuje průměr pece, zvětšuje její výkon a mění tavicí podmínky, teplota i chemické složení. Při velkém opotřebení vyzdívky může hrozit nebezpečí propálení pláště. KUPLOVNY S KAMPAŇOVÝM PROVOZEM Moderní kuplovny pro vysoké tavicí výkony se konstruují pro kampaňový provoz. Délka kampaně je obvykle několik týdnů. Po tuto dobu se kuplovna nenechává vyhasnout, po skončení kampaně je nutno provést opravu nístěje a oblasti dmyšen. Jedná se převážně o velké kuplovny s průměrem nad 1200 mm. Šachta je často tvořena pouze ocelovým, vodou chlazeným pláštěm a nebývá vyzděna, nebo je vyzdívka pouze v části výšky. SPALOVACÍ VZDUCH Spalovací vzduch, dmýchaný do kuplovny, se ve slévárenské terminologii nazývá vítr. Na vytavení 1 t litiny je zapotřebí kyslík z přibližně 600-700 Nm3 vzduchu. Množství dmýchaného větru se pohybuje kolem 100-130 Nm3 na 1 m2 průřezu kuplovny za 1 min. Zdrojem větru jsou dmychadla. Používají se především dmychadla rotační nebo odstředivá. Podle teploty větru se kuplovny rozdělují na studenovětrnné a horkovětrnné. U studenovětrnných kuploven se dmýchá vítr s běžnou okolní teplotou. Jejich nevýhodou je nižší tepelná účinnost a velké ztráty tepla kychtovými plyny. Bývá problémem dosáhnout dostatečně vysokou teplotu kovu. Se studeným větrem pracují především starší a menší tavicí agregáty. V horkovětrnných kuplovnách se do pece dmýchá vítr o teplotě 350-550 oC. K ohřevu se využívá tepla spalin, které se z kuplovny odsávají v úrovni pod vsázecím otvorem. Spaliny se odprašují, ve spalovací komoře se spaluje oxid uhelnatý, který je ve spalinách obsažen v množství kolem 15 % a vedou do rekuperátoru. Rekuperátor je tepelný výměník, ve kterém se teplem spalin teplotu kovu ohřívá vítr, který se pak dmýchá do pece. REGULACE CHODU KUPLOVNY Tavicí výkon kuplovny závisí na množství dmýchaného větru, množství vsázkového koksu, eventuelně na obohacení větru kyslíkem. Optimálního chodu kuplovny - tavicího výkonu, teploty kovu a chemického složení kovu se dosahuje pouze v určitém rozmezí těchto parametrů. Změnou parametrů lze chod kuplovny do jisté míry regulovat. Trvalý chod mimo oblast optimálních parametrů je však ekonomicky i z hlediska kvality kovu nevhodný. Zvýšením množství větru se přímo úměrně zvyšuje tavicí výkon. Při příliš malém, nebo příliš velkém množství větru ale klesá teplota kovu. Odstavením dmýchání je možné krátkodobě přerušit tavení. Tato doba je však poměrně krátká (řádově desítky minut), při delší odstávce může dojít k „zamrznutí“ kovu. Zvětšením množství vsázkového koksu se snižuje tavicí výkon, ale zvyšuje teplota kovu. Mimořádných dávek vsázkového koksu se využívá také tehdy, kdy má slévárna krátkodobě malý odběr kovu. Přitom obvykle dojde k většímu nauhličení litiny. Změny chemického složení Všechny zásahy do chodu kuplovny mají za následek změnu chemického složení, zejména obsahu C a Si. Zásahy, které mají za následek zvýšení teploty kovu jsou doprovázeny zvýšením obsahu uhlíku a snížením propalu křemíku a manganu. Obohacení větru kyslíkem: za normálních podmínek je ve vzduchu obsaženo 21% kyslíku a téměř 79% dusíku. Dusík se nezúčastňuje hoření a na jeho ohřev se spotřebuje velké množství tepla. Zvýšením obsahu kyslíku se zvýší intenzita hoření, sníží se tepelné ztráty odvodem menšího množství spalin a dosahuje se zvýšení teploty kovu. Množství přidávaného kyslíku bývá v množství 1-4 %.
4) SLITINY HOŘČÍKU Slitiny hořčíku jsou v současné době materiálovou skupinou s nejrychlejším nárůstem objemu výroby. Důvodem je především nízká hmotnost odlitků asi 2/3 hmotnosti hliníku, mechanické vlastnost srovnatelné s hliníkovými slitinami a dobré slévárenské vlastnosti. Historie používání hořčíkových slitin je poměrně krátká a je spojena s rozvojem automobilového průmyslu a letectví. Nejznámějším příkladem je seriové nasazení hořčíkových odlitků při výrobě auta VW-brouk ve 30. létech minulého století. V současné době jsou hořčíkové odlitky standardně používány v konstrukci osobních aut, nářadí, přístrojů a všech výrobků, v nichž se uplatní nízká hmotnost. SLÉVÁRENSKÉ SLITINY HOŘČÍKU V technické praxi se hořčík používá výhradně jako slitiny. Hlavním přísadovým prvkem je hliník (jedná se tedy o slitiny Mg-Al). Technický význam ostatních typů slitin pro odlévání je zanedbatelný. Obsah hliníku ve slévárenských slitinách se pohybuje v rozmezí od 3 do 9 %Al. S rostoucím obsahem hliníku se výrazně zvětšuje interval tuhnutí a s tím šířka dvoufázového pásma a zhoršují se slévárenské vlastnosti. Proto obsah Al ve slitinách pro gravitační lití nepřesahuje 5 %. Nejčastěji používanou slitinou pro tlakové lití je slitina s 9 % Al a 1 % Zn, označovaná jako AZ91. Má vynikající zabíhavost a umožňuje odlévat tenkostěnné, tvarově velmi komplikované odlitky. Slitina má vysokou pevnost, ale pouze střední tažnost a rázovou houževnatost. Mechanické vlastnosti se nad teplotou asi 120 oC poměrně rychle snižují. Pro aplikace, u nichž se vyžaduje vyšší tažnost a houževnatost, se snižuje obsah hliníku a zinek je nahrazen manganem v množství 0,2-0,6 %Mn – slitina AM20, AM50 a AM60. Tyto materiály se používají pro odlitky s vysokými požadavky na bezpečnost, např. volanty aut, armatury řízení a díly sedadel. Pevnost je nižší, než u předchozí skupiny. Zvýšení mechanických vlastností za zvýšených teplot a vyšší creepová odolnost se dosahuje u slitin s obsahem 0,5-1,5 %Si – slitiny AS21 a AS41. TAVENÍ SLITIN HOŘČÍKU Vsázkové suroviny pro tavení slitin hořčíku jsou do sléváren dodávány v podobě housek, s požadovaným chemickým složením. Složení se ve slévárnách běžně neupravuje. Hlavním problémem tavení a manipulace s tekutým kovem je mimořádně velká afinita hořčíku ke kyslíku. Této vlastnosti je přizpůsobena konstrukce pecí, vedení tavicího procesu a trasport taveniny do forem. Tavení probíhá pod vrstvou ochranné strusky nebo v inertní atmosféře. Při dopravě kovu je nutno zabránit kontaktu se vzduchem a zejména s jakoukoliv formou vlhkosti. Hořčík v přímém kontaktu se vzduchem je hořlavý. Tavení se provádí v elektrických odporových nebo indukčních pecích, méně často ve spalovacích pecích s vytápěním plynem nebo topným olejem. Jednoznačně nejvýhodnější jsou pece odporové. Tavicí kelímky a jejich vyzdívka musí být voleny s ohledem na chemickou reaktivnost hořčíku. Hořčíkové slitiny často taví v ocelových kelímcích z uhlíkaté nebo nízkolegované oceli. Ochrana hladiny kovu proti oxidaci se provádí pomocí rafinačních solí, síry, berylia (5-15 ppm), nebo inertních plynů SO2, SF6, CO2, N2 a Ar. Rafinační soli jsou směsí chloridů, event. fluoridů vápníku, hořčíku, sodíku a draslíku. U moderních tavicích agregátu se k ochraně hladiny používá již téměř výhradně plynné atmosféry. Nejčastěji se používá směs ochranných plynů se vzduchem, obsahující kolem 0,2-0,3 %SF6 s nebo bez přídavku CO2. Tavicí pece bývají konstruovány jako dvou-, případně až tří-komorové, kde jednotlivé komory jsou odděleny sifonem. První komora je tavicí a je do ní zavážena předehřátá vsázka, druhá komora může sloužit jako ustalovací, z poslední se odebírá tavenina. Do každé z komor se přivádí ochranný plyn. Příklad takové větší plynové pece pro tavicí výkon 1,5 t/h je na obr. 40.
zavážení vsázky
hořáky
elektrický odtah ohřev spalin tavicí komora
Obohacení větru se provádí:
přečerpávací pumpa elektrický ohřev
ustalovací komora
dávkovací komora
- připouštěním kyslíku do větrovodu (méně často) - dmýcháním kyslíku do jednotlivých dmyšen (obvykle) Často se kyslíkem neobohacuje po celou dobu tavby, ale pouze na počátku tavby a v situacích, kdy je nutno rychle zvýšit teplotu kovu nebo tavicí výkon. Kyslík se do slévárny dodává v kapalném stavu a uchovává se v nádržích o velkém objemu. Významným efektem při obohacování větru kyslíkem je rychlé zvýšení teploty kovu a zvýšení operativnosti řízení chodu kuplovny.
Obr. 40: Vícekomorová tavicí pec pro slitiny hořčíku Doprava tekutého kovu z tavicí pece do licích strojů se opět provádí tak, aby kov nepřišel do styku se vzdušnou atmosférou, např. pomocí přetlaku plynů nad hladinou, elektromagnetické pumpy, ponorné rotační pumpy a jinými způsoby. Tavicí a licí teploty
- 11 -
- 12 -
Tavicí teploty se volí podle typu slitiny a podle velikosti odlitku a tloušťky stěn a pohybují se v rozmezí 640-680 oC. Technologie výroby odlitků Naprosto převažující technologií výroby hořčíkových odlitků je tlakové lití. Odlitky lité do trvalých forem mají vysokou rozměrovou přesnost a kvalitní povrch. K lití se používají stroje s teplou nebo se studenou komorou. Velkým problémem při tlakovém lití hořčíkových slitin pod tlakem je velká turbulence a s tím spojená oxidace kovu během lití. Velmi výhodné je odlévání do vakuovaných forem. V tomto případě je dutina kovové formy před litím evakuována na úroveň tlaku přibližně 8 kPa. K tomu je však nutné příslušné zařízení a formy jsou složitější – z toho vyplývají i vyšší výrobní náklady.
Odlévání do pískových forem - je technologií, která se používá v podstatně menším měřítku než tlakové lití a to na kusovou a maloseriovou výrobu specielních odlitků. Odlévá se klasickým způsobem, při němž je však po celou dobu nutno dbát na ochranu kovu před atmosférou. Při lití se musí proud kovu zaprašovat práškovou sírou (sirný květ – vzniká kondenzací par síry). Síra se rovněž přidává do formovacích směsí, aby se zamezilo hoření kovu ve formě. Problémem gravitačního lití je špatná schopnost dosazování kovu při tuhnutí, způsobená širokým intervalem tuhnutí a malým dosazovacím tlakem.
5) Vměstky a plyny ve slitinách hliníku Metalurgické postupy při tavení slitin hliníku musí respektovat sklon ke vzniku nekovových vměstků a vysokou rozpustnost vodíku v tavenině. Velká část metalurgických problémů při výrobě hliníkových odlitků se týká právě těchto dvou vlastností. Vměstky ve slitinách hliníku Vměstky jsou nekovové částice v objemu slitiny, které snižují mechanické vlastnosti, zhoršují slévárenské vlastnosti, chemickou odolnost, těsnost, obrobitelnost, možnost povrchové úpravy a další vlastnosti. Většina vměstků má vysokou tvrdost. Vliv vměstků je dán především jejich chemickým složením a tvarem. Podle velikosti a tvaru se dělí do třech hlavních typů: - oxidické blány - velké, makroskopické vměstky - jemné, mikroskopické částice Nejvýznamnější vliv na vlastnosti slitin mají oxidické blány. Chemicky se jedná o oxidy hliníku, které tvoří velké plošné částice, které významně porušují souvislost kovové matrice. Kompaktní, drobné částice jsou relativně méně škodlivé. Vliv vměstků na vlastnosti hliníkových slitin: problém nekovových vměstků je závažný hlavně v hutích při výrobě polotovarů pro válcování tenkých hliníkových folií. Ve slévárenských aplikacích bývají nároky na čistotu taveniny obvykle nižší a závisí především na účelu použití odlitků. Přítomnost vměstků v uživatelsky nenáročných odlitcích nemusí být příliš na závadu, u odlitků s vysokými technickými požadavky je však dosažení vysoké čistoty slitiny důležitou podmínkou. Vměstky ovlivňují celou řadu vlastností. Mechanické vlastnosti: vměstky způsobují snížení mechanických vlastností jak při statickém zatěžování, tak zejména při dynamickém namáhání. Velmi snižují rázovou houževnatost a únavovou pevnost. Negativní vliv mají hlavně oxidické blány. Slévárenské vlastnosti: oxidické vměstky (např. Al2O3) jsou při licí teplotě slitiny v tuhém stavu a představují mechanickou překážku pro pohyb kovu. Proto při lití snižují zabíhavost taveniny a brání dosazování kovu během tuhnutí. Vměstky jsou tak jednou z příčin vzniku pórovitosti odlitků. Obrobitelnost: vměstky jsou většinou tvořeny velmi tvrdými částicemi. Tím zhoršují kvalitu obrobených povrchů a výrazně snižují životnost obráběcích nástrojů. Těsnost odlitků se vlivem vměstků zhoršuje. Na vměstcích se tvoří plynové bubliny a tlakové medium proniká podél vměstků a přes bubliny. Odstraněním vměstků z taveniny rafinací nebo filtrací se obvykle současně sníží bublinatost a zlepší se těsnost odlitků. Povrchová úprava: vměstky zhoršují kvalitu povrchových vrstev, snižují kvalitu leštění a eloxování. Vznik vměstků: Nekovové vměstky v hliníkových slitinách mají dvojí původ: Exogenní (vnější) vměstky se do taveniny dostávají zvenčí během tavení a odlévání. Nejčastěji to jsou částice žáruvzdorných materiálů z vyzdívky tavicích pecí nebo licích pánví, nebo jde o zbytky solí. Jejich velikost se pohybuje od asi 1 μm do několika milimetrů. Endogenní (vnitřní) vměstky vznikají oxidací prvků a jejich chemickými reakcemi, Tyto vměstky mohou být v roztaveném kovu buď v tekutém nebo v tuhém stavu Nejčastějším druhem vměsků jsou oxidy hliníku. K oxidaci hliníku dochází podle rovnice: 2 Al + 3/2 O2 = Al2O3 Pokud slitina obsahuje současně hořčík, vzniká oxidací spinel – Al2O3.2MgO. Zdrojem kyslíku pro tvorbu oxidů jsou především atmosferický kyslík a vlhkost. Voda se ve styku s roztaveným hliníkem rozkládá podle rovnice: {H2O} = 2 [H] + (O) Vodík se v tavenině rozpouští a kyslík reaguje s hliníkem za vzniku oxidů. Zdrojem vlhkosti jsou např. plynné spaliny v tavicích pecích, nedokonale vysušené tavicí kelímky, vyzdívka pecí a licích pánví, vlhké nářadí, vlhká nebo zoxidovaná vsázka, nátěry forem a zejména vlhké rafinační soli. U rafinačních solí a přípravků je nutno počítat jak s volnou, tak i chemicky vázanou vodou, která se uvolňuje až při vyšších teplotách. Při lití do syrových forem pak kov reaguje i s vlhkostí ve formovací směsi. Oxidací vzniká na povrchu tekutého kovu tenká oxidická vrstva, která chrání kov. Pokud se tato oxidická vrstva mícháním kovu, přeléváním nebo z jiného důvodu poruší, oxidace okamžitě pokračuje a vznikají další a další oxidické vměstky.
- 13 -
Roztavený kov se proto má co nejméně míchat, přelévat a vířit. Z tohoto důvodu má být při lití klidné plnění a preferuje se lití spodním vtokem. Při teplotách kovu nad asi 750 - 770 oC se mění amorfní oxid hliníku na korund. Korund je velmi tvrdý a je hlavní příčinou zhoršení obrobitelnosti slitiny. Korund méně chrání hladinu před pokračující oxidaci a je příčinou zvýšeného množství vměstků. Teplota přehřátí kovu a udržovací teplota by proto neměla překročit teplotu 780 oC. Z uvedeného vyplývá, že při práci se slitinami hliníku je nutno co nejpečlivěji zachovávat celistvost oxidické vrstvy na hladině kovu při tavení, ošetřování taveniny a při manipulaci s tekutým kovem. Také při odlévání je nutno dbát, aby se oxidická vrstva vířením kovu netrhala, je nutno zabránit rozstřikování taveniny. Každé porušení souvislosti ochranné oxidické vrstvy znamená okamžitou oxidaci dalšího kovu. Vzhledem k hustotě oxidů, která je blízká hustotě tekutého hliníku oxidy jen obtížně a pomalu vyplouvají z objemu taveniny na hladinu. Vměstky tvořené intermetalickými fázemi: většina intermetalických fází, s nimiž se setkáme ve slitinách hliníku, se z taveniny vylučuje až v intervalu krystalizace. V roztaveném kovu při teplotách lití se tedy nevyskytují. Výjimkou je fáze, která se označuje jako „kal“ nebo „písek“ (angl. se označuje jako „sludge“) - viz kap.3.3. „Kalová“ fáze vzniká: - postupně při dlouhodobém udržování tekutého kovu při teplotách, které jsou nižší, než je uvedeno na obr. 13, - při vsázení studeného materiálu do roztaveného kovu nebo při přelévání taveniny do studené pánve, kdy se tekutý kov náhle ochladí, - v dávkovacím a licím zařízení, když došlo k ochlazení kovu, - při hodnotách fs < 1 se obvykle kalové fáze netvoří. Škodlivost kalových fází v odlitcích je dána především jejich vysokou tvrdostí 800-1000 HV. Zvyšují opotřebení kovových forem, licí komory a pístu licího stroje při lití pod tlakem. Zhoršují zabíhavost kovu, mohou ucpávat naříznutí vtoku v kovových formách. U odlitků zhoršují obrobitelnost a zvětšují opotřebení řezných nástrojů. U slitin s vyšším obsahem Fe, Mn nebo Cr je prakticky jedinou možností, jak zabránit vyloučení této fáze, udržování kovu na teplotách vyšších, než odpovídá teplotě jejich vzniku. Doporučuje se také snížit obsah manganu. Fázi, která se již v tavicím zařízení vyloučila, není možno odstranit následným zvýšením teploty kovu ani rafinací. Odstranění částic je možné dosáhnout filtrací kovu.
6) Mechanické vlastnosti LKG:Podle
EN ČSN 1563 jsou normalizovány nelegované LKG s pevností v tahu 350-900 MPa. Základní mechanické vlastnosti jsou uvedeny v tab. 5. Dříve platnou normou byla ČSN 422303-08. V ní značí poslední dvojčíslí minimální pevnost v tahu ve stovkách MPa (u 422303 - Rm min= 380 MPa, u 422304 - Rm min= 420 MPa). Chemické složení LKG je eutektické až nadeutektické, přibližně v rozmezí CE = 4,2-4,7 a volí se především v závislosti na směrodatné tloušťce stěn odlitků. Tab.5: Mechanické vlastnosti nelegovaných LKG na odděleně litých zkušebních tělesech tažnost tvrdost HB pevnost v tahu mez 0,2 struktura pozn. označení materiálu 4) Rm [MPa] Rp0,2 [MPa] A5 min [%] EN-GJS-350-22
350
220
22
< 160
F
1)
EN-GJS-400-18(15)
400
250
EN-GJS-450-10
450
310
10
130-175
F
2)
160-210
F
EN-GJS-500-7
500
320
EN-GJS-600-3
600
370
7
170-230
F+P
3
190-270
P+F
EN-GJS-700-2
700
EN-GJS-800-2
800
420
2
225-305
P
480
2
245-335
P, S
EN-GJS-900-2
900
600
2
270-360
B, S
18 (15)
3)
1) Dále varianty se zaručenými vlastnostmi za nízkých teplot 2) Varianty s tažností 15 a 18 % a dále varianty se zaručenými vlastnostmi za nízkých teplot 3) Lze dosáhnout pouze tepelným zpracováním a/nebo legováním 4) Tvrdost na přilitých zkušebních tělesech Struktura: F-ferit, P-perlit, S-sorbit, B-bainit Mechanické vlastnosti nejsou příliš závislé na uhlíkovém ekvivalentu, nýbrž především na struktuře základní kovové hmoty. Litiny s feritickou strukturou mají velmi dobré plastické a dynamické vlastnosti, perlit způsobuje ke zvýšení pevnosti a tvrdosti. Zvýšení podílu perlitu se dosahuje při vyšším obsahu manganu nebo pomocí legur, stabilizujících perlit (zejména Cu). U LKG je nutno udržovat co nejnižší obsah fosforu, karbidotvorných prvků a dalších nečistot. Modul pružnosti litin s kuličkovým grafitem je vyšší, než u litiny s lupínkovým grafitem a pohybuje se v rozmezí přibližně (1,6-1,85).105 MPa. Nárazová práce litiny s kuličkovým grafitem závisí především na její struktuře. Hodnota nárázové práce je normou předepsána pouze u značek s pevností 350 a 400 MPa. Zjišťuje se na zkušebních tělesech s V-vrubem.
- 14 -
Zkušební vzorky pro zkoušku mechanických vlastností tvárných litin se vyrábí z odděleně litých nebo přilitých zkušebních těles. Ve slévárnách se jako odděleně litá tělesa používají zejména tzv. Y-bloky - obr.28, jejichž rozměry se volí v souladu se směrodatnou tloušťkou stěn odlitků tak, aby rychlosti ochlazování zkušebního tělesa a odlitku se co nejvíce blížily. Zkušební vzorky se vyrábí ze spodní části tělesa, označené A, část B je nálitek.
Z vlivů na mechanické vlastnosti litin je významné, že křemík zvyšuje tvrdost feritu, snižuje tažnost a rázovou houževnatost (důležité u LKG). Za nízkých teplot křemík podporuje vznik křehkých lomů.
TEST D
M a n g a n - má při tuhnutí litiny pouze malý vliv na grafitisaci. Při obsahu nad 0,5 % působí mírně antigrafitisačně. Při vyšším obsahu (přibližně nad 1 %) může podporovat vznik přechlazeného grafitu. Při pomalém ochlazování může mangan v tlustých stěnách odlitku tvořit karbidy. Mangan stabilizuje ve struktuře perlit (zejména u tvárné litiny), zjemňuje perlit, zvyšuje pevnost litiny, tvrdost a odolnost proti otěru. Důležitou funkcí manganu u LLG a bílé litiny je, že váže síru. K reakci se sírou dochází podle vztahu: [FeS] + [Mn] = (MnS) + [Fe]
2) Vermikulární litina - LVG je relativně novým druhem litin, používaným pro své poměrně vysoké mechanické vlastnosti a současně dobré slévárenské vlastnosti. Je běžné, že vedle vermikulárního grafitu se ve struktuře vyskytuje i malý podíl (asi do 5-10%) grafitu kuličkového. Struktura základní kovové hmoty: feritická až perlitická Struktura závisí na chemickém složení, rychlosti ochlazování a vlivu nečistot, podobně jako u LKG. Mechanické vlastnosti: pevnost v tahu Rm = 320 - 550 MPa mez O,2 Rp0,2 = 240 - 420 MPa tažnost A5 = 0,5 - 4,5 % tvrdost 140 - 260 HB (obvykle do 200 HB) Chemické složení Obsah uhlíku a křemíku odpovídá přibližně eutektickému složení - CE = 4,2-4,5. Typické chemické složení: 3,5 - 3,8 % C 2,4 - 2,7 % Si max. 0,6 % Mn max. 0,06 % P max. 0,02 % S Pro sestavení vsázky se používají prakticky stejné suroviny, jako pro výrobu LKG. Modifikace vermikulární litiny: U vermikulární litiny je nutno dosáhnout tvaru grafitu mezi lupínkovým a kuličkovým. To je z metalurgického hlediska obtížnější, než vyrobit litinu s kuličkovým grafitem. Pro praktické použití připadají v úvahu 3 metody výroby LVG: 1) nedokonalá modifikace hořčíkem 2) zabránění dokonalé sferoidisaci grafitu některým deglobulitisačním prvkem 3) modifikace cerem nebo jinými KVZ Nedokonalá modifikace hořčíkem Červíkový grafit vzniká, když obsah zbytkového hořčíku leží v rozmezí cca 0,015-0,025 % Mg. Při nižším obsahu je grafit již převážně lamelární, při vyšší obsahu kuličkový. Dodržení této úzké tolerance je technicky poměrně obtížné. Kromě obsahu Mgzbyt je struktura závislá i na rychlosti ochlazování. V tenkých průřezech vznikají snadno kuličky, zatímco v tlustých průřezech se ještě vyskytuje grafit lamelární. Odlitky proto musí být konstruovány se stejnoměrnými tloušťkami stěn. Pro modifikaci je možné použít čistý hořčík, obvyklé předslitiny FeSiMg, nebo specielní přípravky pro modifikaci LČG, které vedle 5-6 % Mg obsahují kolem 5 % KVZ. Aplikace deglobulitisačních prvků Jako prvek, který ruší globulitisační účinek hořčíku, se používá nejčastěji titan. Tavenina se modifikuje hořčíkem podobně, jako při výrobě LKG avšak modifikační předslitinou s obsahem titanu. Přítomnost titanu způsobí, že se přeměna tvaru grafitu zastaví na červíkové formě a ani předávkování hořčíku nemá za následek vznik kuličkového grafitu. Dostačuje obsah asi 0,1 % Ti. Přítomnost titanu v litině zvyšuje podíl feritu a snižuje tvrdost. Současně však vznikají velmi tvrdé karbidy TiC, které zvyšují opotřebení řezných nástrojů. Z těchto důvodů slévárny obvykle dávají přednost modifikaci čistým hořčíkem. Modifikace kovy vzácných zemin Používá se "Mischmetal" s obsahem kolem 50 % Ce, nebo jiné přípravky. Modifikovat je možné přímo do proudu kovu při přelévání licí pánve. Spotřeba Mischmetalu je závislá na obsahu síry. Při obsahu 0,02 % S je dávkování cca 0,15-0,20 % KVZ, při 0,03 % S se dávkuje asi 0,3 %. Nevýhodou tohoto způsobu je, že při předávkování KVZ se zvyšuje sklon litiny k zákalce. Tento způsob modifikace se používá vyjímečně. Metody modifikace Lze použít stejné metody, jako pro modifikaci LKG. Grafitizační očkování Provádí se obvyklými očkovadly, nejčastěji ferosiliciem FeSi75, běžnými postupy. Dávkování při jednostupňové modifikaci je 0,4-0, 7 %.
3) VLIV PRVKŮ NA STRUKTURU A VLASTNOSTI LITIN: ZÁKLADNÍ PRVKY U h l í k - spolu s křemíkem má největší vliv na strukturu a vlastnosti litin. Čím více uhlíku je vyloučeno jako grafit, tím menší je stahování litiny při tuhnutí. Tento fakt umožňuje omezit, případně až zcela vyloučit nálitkování litin. Při vysokém obsahu uhlíku ale dochází ke zhrubnutí grafitu.
Křemík má za následek zvyšování austenitizační teploty obr.22. To je nutno respektovat zejména při tepelném zpracování.
Minimální obsah manganu v LLG a v temperované litině se doporučuje volit: Mn = 1,7.S + 0,3 [%] Mn = 1,7.S + 0,15
- pro LLG - pro bílou litinu
U tvárné a vermikulární litiny přejímá odsiřovací úlohu manganu hořčík nebo kovy vzácných zemin. Obsah manganu proto může být nízký (u feritických LKG i pod 0,15 %). F o s f o r - mírně podporuje grafitisaci. Fosfor se během tuhnutí výrazně odměšuje do zbylé taveniny a na hranicích zrn tvoří fosfidické eutektikum, které se nazývá steadit. Fosfidické eutektikum má teplotu tuhnutí kolem 955 oC (tuhne tedy jako úplně poslední). Tato fáze je tvrdá a křehká a významně snižuje houževnatost litiny. Proto je nutné u LKG a LVG udržovat co nejnižší obsah fosforu (obvykle pod 0,08 % P). V LLG bývá obsah fosforu vyšší, obvykle 0,2 - 0,4 % P. Někdy se volí vyšší obsah fosforu z důvodu zvýšení otěruvzdornosti odlitků (např. vodicích ploch obráběcích strojů). V důsledku tvorby nízkotavitelného eutektika fosfor zvyšuje zabíhavost litin. Z tohoto důvodu se u velmi tenkostěnných a uměleckých odlitků obsah fosforu zvyšuje, někdy až na 1%. S í r a - je v litinách nežádoucí prvek. Zdrojem síry jsou vsázkové suroviny, nauhličovala a při tavení v kuplovnách koks. Síra má silný sklon k segregaci (tvoří FeS) a při vyšším obsahu, pokud není vázána jako sirník manganu, zabraňuje grafitizaci a způsobuje křehkost litiny. (Vliv na grafitizaci je tím nepříznivější, čím nepříznivější jsou ostatní grafitizační podmínky.) Proto je většinou snaha udržet obsah síry v litinách co nejnižší.
Legury, stopové prvky a nečistoty: M ě ď - mírně podporuje grafitisaci. V množství 0,5-1,5 % se používá pro stabilizaci perlitu v LKG, zvýšení mechanických vlastností a tvrdosti litiny. Zejména u LLG se s výhodou kombinuje s chromem, obvykle v poměru Cu:Cr=4:1, kdy se dosahuje perlitické struktury s jemným grafitem a vysokými mechanickými vlastnostmi. Pro legování je nutno používat velmi čistou měď bez příměsí prvků, které způsobují degeneraci grafitu. N i k l - má podobné účinky jako měď - působí mírně grafitisačně, stabilisuje perlit, zvyšuje mechanické vlastnosti, rovněž při nízkých teplotách. Pro tyto účely se přidává do obsahu až 4 %. Při obsahu nad asi 18 % (za přítomnosti Cu již od asi 13 %) nikl stabilizuje ve struktuře austenit. C h r o m - silně karbidotvorný prvek. Podporuje metastabilní tuhunutí. Zdrojem chromu bývají vsázkové suroviny surové železo a zejména ocelový nebo litinový šrot. Chrom zjemňuje grafit, často však způsobuje vznik mezidendritického grafitu. Zvyšuje pevnost a tvrdost litiny. Pokud ve struktuře vzniknou volné karbidy, významně se zhoršuje obrobitelnost. Pro zvýšení mechanických vlastností se leguje obvykle v množství do 0,3-0.5 % Cr, sklon ke vzniku karbidů se kompenzuje mědí. Ve feritických litinách má být obsah Cr co nejnižší (< 0,04 %). M o l y b d e n - velmi významná, avšak velmi drahá legura. Používá se v kombinaci s jinými perlitotvornými prvky (zejména s Cr), a dále s Cu a Ni. Zvyšuje pevnost perlitické základní kovové hmoty a stabilizuje strukturu a vlastnosti litin za vyšších teplot. Snižuje citlivost struktury na rychlost ochlazování, uplatňuje se proto u odlitků s nestejně tlustými stěnami. Leguje se v množství do maximálně 0,8-1,0 %. C í n - používá se pro stabilizaci perlitické struktury zvláště u odlitků z LLG, je ho však možné použít i u LKG. Pro dosažení zcela perlitické struktury obvykle stačí množství do 0,1 - max. 0,15 % Sn. Cín zvyšuje hustotu perlitu, zvyšuje pevnost a tvrdost litiny. U LKG se pro dosažení perlitické struktury místo cínu leguje obvykle mědí do 1-1,5 %.
STOPOVÉ PRVKY A NEČISTOTY Stopové prvky a nečistoty se do litiny dostávají zejména ze špatně vytříděného šrotu. Jejich škodlivý účinek se projevuje obvykle tím, že způsobují vznik degenerovaných tvarů grafitu. O l o v o a v i z m u t jsou jedněmi z nejškodlivějších prvků v grafitických litinách. Již v množství setin procenta způsobuje degradaci lupínkového a v množství tisícin procenta kuličkového grafitu a snižují mechanické vlastnosti až několikanásobně. Škodlivý účinek v litinách má rovněž arsen, kadmium a další prvky. Nároky na nízký obsah nečistot jsou u LKG podstatně vyšší, než u ostatních druhů litin. Řada prvků (např. Sb, Ti a další), které v šedé litině příliš nevadí, nebo jsou někdy dokonce přidávány záměrně, mají u LKG velmi škodlivý účinek.
K ř e m í k - je kromě uhlíku nejvýznamnějším prvkem v litinách. Při tuhnutí výrazně podporuje grafitisaci, při transformaci austenitu podporuje vznik feritu. (Při nízkém obsahu křemíku mají litiny silný sklon ke tvorbě zákalky.)
- 15 -
- 16 -
4) RAFINACE SLITIN AL: Jako rafinace se označuje proces, při kterém se v tavenině snižuje množství vměstků. Při rafinaci dochází také k odplynění. Při rafinaci se využívají zejména tyto postupy: - odstátí taveniny - vynášení vměstků plynovými bublinami - použití krycích a rafinačních solí - filtrace taveniny Principem odstátí je vyplouvání vměstků. Vzhledem k téměř stejným hustotám kovu a většiny vměstků je však tento způsob časově náročný a málo účinný. Doba odstátí se musí pohybovat v řádu několika desítek minut až hodiny, účinnost je však stejně nízká. Odstátí může být použito také jako „předstupeň“ další rafinace. Přesto se doporučuje po každém přelití kovu a každém metalurgickém zásahu nechat taveninu odstát alespoň 10-20 min. Při rafinaci profukováním plyny se využívá pohybu plynových bublin k vynášení vměstků na hladinu. K tomuto způsobu rafinace dochází také při odplyňování taveniny a bude o něm pojednáno dále.
Používání krycích a rafinačních solí je jednak metodou zabránění vzniku vměstků, jednak jejich odstranění z taveniny. Krycí přípravky: krycí soli jsou směsí především chloridů a fluoridů, zejména NaCl, KCl, Na3AlF6 (kryolit), NaF, KF, CaCl2 a dalších. Jejich účelem je bránit přímému kontaktu taveniny s atmosferickým kyslíkem a s vlhkostí. Složení přípravků se volí tak, aby jejich teplota tavení byla nižší, než je tavicí teplota slitiny, tj. na hladině tvoří tekutou ochrannou vrstvu. Část solí (asi 0,5 % hmotnosti kovu) se dává již do pevné vsázky, druhá část (asi 0,5-1 %) na hladinu po natavení kovu. Dávkování solí má být takové, aby byla zakryta celá hladina lázně. Rafinační přípravky: účelem rafinačních solí je odstranit z taveniny vměstky, vázat je do strusky a také snížit obsah α-AlFeMnSi kovového hliníku ve strusce. Chemicky se opět jedná o směs chloridových a fluoridových dalších Mg2Si solí s přísadou aktivních komponent. Struska na hladině roztaveného kovu je tvořena zbytky rafinačních solí a zachycenými vměstky tvoří tzv. „stěry“. Stěry obsahují i značné množství nezreagovaného kovu, které pro slévárnu znamená ztráty kovu. (Stěry se proto ve větších slévárnách shromažďují a dodávají k hutnímu zpracování.) Moderní rafinační prostředky uvolňují kov ze stěrů zpátky do lázně a tak snižují ztráty kovu. Tímto způsobem vzniká na hladině tzv. „suchá struska“ s malým obsahem kovového hliníku. Rafinační přípravky se používají obvykleCuaž před dokončením tavby. Pomocí 2Al ponorného zvonu se potopí ke dnu lázně a tam nechají zreagovat. Lázeň je potom nutno dokonale promíchat. Velmi účinná je injektáž rafinačních solí do taveniny dmýcháním neutrálního plynu (dusíku nebo argonu). Po rafinaci je nutno nechat taveninu „odstát“ nejméně 5-10 min a pak všechny reakční zplodiny děrovanou naběračkou pečlivě „stáhnout“ z hladiny. Dávkování rafinačních solí a teplotu aplikace obvykle udává výrobce. Obvykle dostačuje asi 0,2-0,3 % z hmotnosti kovu, u granulovaných solí kolem 0,1-0,2%. Al
5 a 6) viz.test A. Struktura, mechanické a technologické vlastnosti slitin jsou ovlivněny obsahem základních prvků a legur a také řady nečistot. Vliv některých nečistot se projevuje již při jejich obsahu v řádu tisícin až setin procenta. Dále je uveden vliv nejdůležitějších prvků. Křemík: je ve slitinách Al-Si základním přísadovým prvkem. Ve slévárenských slitinách křemík zlepšuje téměř všechny slévárenské technologické vlastnosti. Proto se u technologicky náročných a problémových odlitků doporučuje používat slitiny s vyšším obsahem křemíku. Nejlepší slévárenské vlastnosti mají eutektické siluminy. S rostoucím obsahem křemíku se mění zvláště následující vlastnosti: - zvyšuje se zabíhavost - zmenšuje se stahování během tuhnutí a sklon ke vzniku mikrostaženin - snižuje se nebezpečí trhlin (za tepla) a prasklin (za studena) - pevnost a tažnost binárních slitin Al-Si je jen střední a s obsahem křemíku se příliš nemění Rostoucí obsah křemíku mírně zvyšuje cenu slitiny. Měď: je nejběžnější přísadový prvek v siluminech. Obsah mědi bývá od 0 do 5 % Cu. Již při obsahu kolem 1 %Cu se ve struktuře objevuje eutektikum Al-Si-CuAl2 s rovnovážnou teplotou tuhnutí 524 oC. Fáze CuAl2 má na metalografickém výbrusu typický tvar mřížky. Jestliže slitina obsahuje současně hořčík a měd, vzniká vícesložkové eutektikum, které tuhne až při teplotě kolem 510-480 oC. Zdrojem mědi jsou vsázkové suroviny, zejména šrot, znečištěný mědí. Pro legování se používají předslitiny AlCu (obvykle AlCu40). Ze slitin nelze měď běžnými metalurgickými postupy odstranit. Měď v siluminech zvyšuje pevnost a tvrdost, snižuje tažnost a zhoršuje korozní odolnost. Ve slitinách s nároky na vysokou korozní odolnost a ve slitinách pro potravinářské účely je přípustný jen velmi nízký obsah Cu (často max. 0,05%Cu). Měď významně zlepšuje obrobitelnost. Při obrábění vzniká krátká, snadno lámavá tříska, obráběný povrch je kvalitní, hladký. Hořčík: je ve slitinách Al-Si velmi důležitým prvkem, který umožňuje provádět vytvrzování za tepla. Přidává se v množství 0,3 – 0,7 %. V litém stavu má hořčík na pevnost jen malý vliv, snižuje však tažnost a mírně zvyšuje tvrdost. V množství, které bývá do slitiny přidáváno, nemá hořčík praktický vliv na změnu slévárenských vlastností ani na odolnost proti korozi. Ve vytvrzeném stavu však je obsah hořčíku významný - čím vyšší je obsah Mg, tím vyšších pevností se dosahuje. Železo: je prvkem, který se obvykle považuje za nečistotu. Jeho vliv se spojuje zejména s nepříznivým účinkem na mechanické vlastnosti. Do siluminů se dostává ze vsázkových surovin nebo rozpouštěním železa z nenatřeného
- 17 -
tavírenského nářadí, z kovových forem, zalitých kovových sítek apod. (Rozpouštění železa v tekutém hliníku je poměrně intenzivní – nejedná se ale o tavení železa v hliníku, nýbrž rozpouštění.) Železo již při malém obsahu tvoří různé intermetalické sloučeniny. Nejdůležitějšími jsou jehlicová fáze Al5FeSi, označovaná jako fáze β-AlFeSi (obr. 10) a tvarově více kompaktní fáze Al15(Fe,Mn)3Si2, označovaná jako α-AlFeMnSi a podle tvaru jako „čínské písmo“ nebo také „rybí kost“. Jehlicová fáze železa vzniká zvláště ve slitinách, v nichž je malý obsah manganu. Při zvýšení obsahu manganu dochází ke změně tvaru eutektika - místo jehlicové fáze vzniká méně škodlivá fáze „činské písmo“. Proto se do slitin s obsahem železa nad asi 0,4 % leguje i mangan a to tak, aby obsah manganu byl roven asi ½ obsahu železa. Vliv železa na mechanické vlastnosti velmi závisí na tvaru a velikosti vznikajících částic. Nejvíce nepříznivý vliv mají hrubé částice fází železa, které vznikají zejména při pomalém ochlazování při lití do pískových forem a mají velmi nepříznivý vliv na tažnost a dynamické vlastnosti slitin. Drobnější částice, které se vylučují při rychlém ochlazování při lití do kovových forem jsou mnohem méně škodlivé. Tvarově kompaktní částice „čínského písma“ jsou podstatně méně škodlivé, než jehlicová fáze. U běžných odlitků se obvykle připouští obsah železa do 0,3-0,6 %. Pro vysokopevné, dynamicky namáhané odlitky však bývá železa omezen i pod 0,15 %Fe. Při rychlém chladnutí je negativní účinek Fe na vlastnosti méně výrazný. Slévárenské vlastnosti – železo v malém množství nemá na slévárenské vlastnosti prakticky žádný vliv. Při vyšších obsazích se však zvětšuje sklon ke vzniku trhlin za tepla a možnost tvorby tzv.„vpadlin“ na povrchu odlitků. Hrubé fáze železa brání dosazování tekutého kovu při tuhnutí a tak podporují tvorbu ředin. Při tlakovém lití se vlivem železa snižuje lepení kovu na formu, což usnadňuje vyjímání odlitků a podstatně zvětšuje životnost forem a jader. Proto slitiny pro tlakové lití běžně obsahují kolem 1 % Fe. Obrobitelnost – do obsahu asi 1 % Fe nemá železo podstatný vliv na obrobitelnost. Při vyšším obsahu se ale obrobitelnost zhoršuje. Odolnost proti korozi – se vlivem železa mírně zhoršuje. Slitiny do korozního prostředí mají mít nižší obsah železa. Mangan: hlavním úlohou manganu ve slitinách Al-Si je kompenzace nepříznivého vlivu železa. Za přítomnosti Mn se velmi škodlivá jehlicová fáze železa mění na více kompaktní „čínské písmo“. Obsah manganu by měl být roven asi ½ obsahu železa - obsah manganu obvykle bývá do 0,6%Mn. V běžném množství nemá mangan na slévárenské vlastnosti siluminů vliv. Díky kompenzačnímu účinku na vznik nepříznivých fází železa se zvyšují mechanické vlastnosti, zejména se snižuje křehkost slitin. Ve slitinách, které současně obsahují více z uvedených prvků, vzniká celá řada různých intermetalických fází, které tvoří někdy dosti bizardní útvary. Takový příklad je znázorněn na obr. 12 v němž se vyskytují nejméně čtyři různé intermetalické fáze. Tvrdé fáze (kalové fáze, sludge) Tzv. „kal“ je intermetalická fáze, která vzniká u slitin s vyšším obsahem železa, manganu a chromu při dlouhodobém udržování taveniny na poměrně nízké teplotě. Částice (viz obr. 13) jsou těžší než hliník, proto v tavicích agregátech (někdy i v silnostěnných odlitcích s dlouhou dobou tuhnutí) sedimentují a na dně kelímku a v kanálcích indukčních pecí tvoří těžko odstranitelné nárosty. Kalové fáze zvyšují opotřebení licích strojů a kovových forem, snižují tekutost kovu, výrazně zhoršují obrobitelnost odlitků. Teplota vzniku „kalové“ fáze závisí na komplexním vlivu Fe,Mn a Cr, který se vyjadřuje tzv. koeficientem segregace – fs. Tvrdé fáze vznikají, jestliže teplota taveniny je nižší, než odpovídá přímce na obr. 14 Tyto fáze nelze zvýšením teploty znovu roztavit, proto je nutno preventivně zamezit jejich vzniku udržováním taveniny na dostatečně vysoké teplotě - tj.vyšší, než jsou teploty podle dané přímky. Nikl: slitiny s obsahem 1-2 % Ni si zachovávají dobré mechanické vlastnosti i za zvýšených teplot. Slitiny s niklem mají menší součinitel teplotní roztažnosti. Z tohoto důvodu se používají zejména pro písty a hlavy válců motorů. Zinek: nepatří mezi typické legury. V množství 1-3 % bývá obsažen v některých slitinách typu Al-Si-Cu. Zinek zvyšuje zabíhavost slitin a rovněž zlepšuje obrobitelnost. Při tlakovém lití se snižuje lepení kovu na formy. Při vyšším obsahu roste sklon ke vzniku trhlin. Ve slitinách pro lití do písku bývá obsah zinku < 1%. Titan: nejvýznamnějším vlivem titanu ve slitinách hliníku je jeho očkovací účinek. Titan tvoří krystalizační zárodky pro nukleaci primární α(Al) fáze a způsobuje zjemnění zrna. Očkovací účinek titanu se zvyšuje za přítomnosti bóru. Obsah titanu ve slitině by něměl být vyšší, než asi 0,2 % Ti. Vlivy titanu na další vlastnosti souvisí s jeho zjemňujícím účinkem. Díky zjemnění struktury se zlepšuje obrobitelnost, odolnost proti korozi i možnost povrchové úpravy odlitků. Z dalších prvků v siluminech je významný hlavně vápník, který podporuje vznik ředin.
TEST E 3) MODIFIKACE LKG: Modifikace LKG se provádí hořčíkem nebo slitinami, které obsahují hořčík. Důležité vlastnosti hořčíku: - hustota: 1740 kg/m3 - je lehký, má snahu vyplavat na hladinu - teplota tavení: 650 oC - teplota vypařování: 1107 oC - při teplotě litiny se bouřlivě vypařuje a způsobuje rozstřikování kovu - hořčík má velmi silnou afinitu ke kyslíku a k síře - podporuje vznik zákalky litiny - čím vyšší obsah Mg, tím větší sklon k zákalce Z důvodu bouřlivé reakce hořčíku se obvykle nemodifikuje čistým Mg, ale předslitinami FeSiMg, nebo, ale spíše jen výjimečně, předslitinou NiMg. Modifikace kovovým hořčíkem se provádí jen u takových metod, kdy je možné omezit nebo regulovat bouřlivost modifikační reakce - např. v sferoklávu nebo +GF+ konvertoru. Předslitiny FeSiMg obsahují asi 45 %Si a 3-15 %Mg. Čím vyšší je obsah Mg, tím bouřlivější je reakce. Obvykle se
- 18 -
používá slitina s 5-8 % Mg. Tyto předslitiny jsou lehčí, než je modifikovaný kov, proto se musí v modifikační pánvi zabezpečit proti vyplavání na hladinu. Slitiny s niklem jsou těžší než litina a proto se samy ponoří ke dnu. Některé modifikační předslitiny obsahují také kovy vzácných zemin (hlavně cer). Jejich účelem je podpoření modifikačního účinku hořčíku a kompenzace vlivu škodlivých prvků. Modifikace probíhá tak, že páry hořčíku probublávají ode dna taveninou. Přitom Mg reaguje se sírou a kyslíkem, rozpuštěným v litině a tvoří chemické sloučeniny, často také spolu s křemíkem. Tyto vměstky se nazývají „sekundární struska“. Část hořčíkových par unikne z taveniny a na hladině shoří. Jen ta část, která se při cestě bublin Mg k hladině rozpustí v kovu vede ke vzniku kuličkového grafitu. Tento obsah hořčíku se nazývá „zbytkový hořčík“ - Mgzbyt. Obsah Mgzbyt musí být obvykle větší, než 0,03 %, nemá však být zbytečně vysoký, neboť vzniká více vměstků a litina má větší sklon k zákalce. U tenkostěnných odlitků stačí obsahy Mg jen mírně nad uvedenou hranicí, u silnostěnných odlitků musí být vyšší, kolem 0,045-0,06 % Mgzbyt. Dávkování hořčíku se provádí podle požadovaného obsahu Mgzbyt , podle množství síry ve výchozí litině a podle předpokládaného využití Mg. Využití závisí hlavně na modifikační metodě a na teplotě kovu - čím vyšší teplota litiny, tím menší využití hořčíku. Dávkování je nutno pro každou slévárnu prakticky ověřit a je nutno dodržovat konstantní podmínky modifikace. Se sírou se hořčík váže podle rovnice Mg + S = MgS. Konečný obsah síry po modifikaci je kolem 0,01 %S. Čím vyšší je tedy počáteční obsah S, tím vyšší musí být dávkování Mg (na odstranění 1 %S se spotřebuje 0,75 %Mg). Z tohoto důvodu by výchozí tavenina měla mít co nejnižší obsah síry. Pokud tavicí pec neumožňuje natavení kovu s nízkou S (kuplovna), provádí se před modifikací odsíření kovu. Množství modifikačního prostředku se vypočítá (trochu zjednodušeně) podle vztahu.Pokud se modifikuje předslitinou FeSiMg, vnáší se do litiny velké množství křemíku. O tento křemík (a také křemík vnesený očkovadlem) je nutno snížit obsah křemíku ve vsázce. To často vede k omezení množství vratného materiálu ve vsázce. Protože hořčík potlačuje vylučování grafitu, je nutné LKG dobře očkovat. Očkování se provádí současně s modifikací nebo i po modifikaci (někdy jako dvoustupňové - poprvé při modifikaci, podruhé během lití). Očkuje se předslitinami FeSi, dávkování bývá vyšší, než u LLG - obvykle v rozmezí 0,5-1 %. Po nemodifikování litiny dochází k vypařování a dalším ztrátám hořčíku. Jeho obsah se postupně snižuje a modifikační účinek proto slábne. Tento děj se nazývá „odeznívání“ modifikace. Litinu je proto nutno odlít v době, kdy je modifikační účinek ještě dostatečně silný - obvykle do 15-20 min (za vhodných podmínek až do 30 min.). Pokud by se odlévalo po delší době, tvar grafitu by byl nedokonale zrnitý - litina by postupně přecházela do vermikulární litiny. U polévacích metod je modifikační prostředek umístěn na dně specielní modifikační pánve (obvykle ve zvláštní modifikační komůrce) a do této pánve se přeleje kov, určený k modifikaci. Ponořovací metody spočívají v ponoření modifikačního prostředku do taveniny ve specielní pánvi ponorným zvonem, nebo v jeho vpravení do taveniny jiným způsobem. Metoda Sandwich na dno komůrky se uloží dávka předlitiny Mg, na ni vrstva očkovadla FeSi a překryje ocelovým plechem nebo plechovými odstřižky. Metoda Tundish Modifikace ve sferokávu (autoklávu pro sferoidisační zpracování) Modifikace v konvertoru +GF+ Modifikace plněným profilem Metoda Inmold
4) Feritizační žíhání: Účelem feritizačního žíhání je rozpad perlitického cementitu a zvýšení podílu feritu ve struktuře. Feritisační žíhání může navazovat na žíhání pro odstranění volných karbidů. K rozpadu perlitického cementitu dochází již při podkritických teplotách s maximální rychlostí těsně pod spodní kritickou teplotou. Feritizační žíhání se provádí: - za podkritických teplot - za nadkritických teplot FERITIZAČNÍ ŽÍHÁNÍ ZA PODKRITICKÝCH TEPLOT: žíhací teploty se volí asi 30-50 K pod A1,1 - (nedochází tedy k austenitizaci litiny). Režim žíhání: - teplota prodlevy: 700-760 oC - délka prodlevy: 45 min až 1 hod/25 mm tloušťky stěny - ochlazování: v peci do 580oC/20-50 K.hod-1, (čím vyšší obsah Mn, tím pomalejší ochlazování), pak vzduch nebo pec/50-60 K.hod-1do 300oC Obr. 50: Žíhací diagram feritizačního žíhání za podkritických teplot FERITISAČNÍ ŽÍHÁNÍ PŘI NADKRITICKÝCH TEPLOTÁCH Teploty se volí v oblasti horní kritické teploty nebo mírně nad ní (dochází tedy k austenitizaci), po prodlevě následuje pomalé ochlazování přes pásmo kritických teplot. Tento způsob žíhání se používá v případech, kdy žíhání za podkritických teplot by nezajistilo dostatečný stupeň feritizace, zejména při velmi nízkém obsahu křemíku nebo za přítomnosti prvků, stabilizujících perlit.
- 19 -
Režim žíhání: - teplota prodlevy: - délka prodlevy: - ochlazování:
790-850 oC 1 hod + 1 hod/25 mm tloušťky stěny v intervalu teplot 800-680 oC v peci rychlostí 10-20 K.hod-1, pak vzduch nebo pec/50-60 K.hod-1do 300oC
Obr. 51: Žíhací diagram feritizačního žíhání při nadkritických teplotách Podobný režim tepelného zpracování se volí, jestliže je ve struktuře litiny zákalka nebo karbidy doprovodných prvků. Teploty prodlevy se však volí vyšší - až kolem 900 oC
5) ZÁSADY TAVENÍ SLITIN AL: Kvalita odlitků nemůže být lepší, než byla kvalita roztaveného kovu. Cílem tavicího procesu proto musí být natavení slitiny s požadovanou kvalitou a to za co možná nejnižších nákladů. Kvalitní tavenina se vyznačuje především požadovaným chemickým složením, co nejnižším obsahem oxidických i neoxidických vměstků a nízkým naplyněním. O kvalitě kovu rozhodují zejména: - vsázkové suroviny - typ a konstrukce tavicích a udržovacích pecí - způsob vedení metalurgického procesu - metalurgické zpracování taveniny a způsob lití Vsázkové suroviny: volba vsázkových surovin je kompromisem mezi kvalitou a ekonomií. V praxi by se proto měly používat takové suroviny, které zajistí dosažení požadované kvality kovu při nejnižších nákladech. Náklady ale netvoří pouze cena vsázkových surovin, ale i zpracovací náklady, riziko zmetkovitosti a cena oprav. Použití dražších, ale kvalitních surovin, proto často bývá ekonomicky výhodnější, než zdánlivá úspora při použití levnější, ale nekvalitní vsázky. Housky slitin, dodávané z hutí, jsou nejkvalitnějším vsázkovým materiálem. Mívají garantované chemické složení, nízký obsah nečistot a rozpuštěných plynů. Cenově jsou však nejdražší vsázkovou surovinou. Rozlišují se tzv. „primární slitiny“ (nebo také slitiny prvního tavení), vyrobené hutnickým způsobem z kovových rud a „sekundární slitiny“ (slitiny druhého tavení), vyrobené hutnickým přetavením hliníkového šrotu. Sekundární slitiny pochází z nejrůznějších zdrojů a surovin různorodého složení. Obsahují proto větší množství přísadových prvků a nečistot, než je tomu u slitin primárních. Některé z doprovodných prvků lze metalurgickými postupy alespoň částečně odstranit, některé však odstranit nelze. Slitiny požadovaného chemického složení se z nich připravují smícháním s čistými kovy a s legurami. Slitina se potom rafinuje a odlévá do housek. Vratný materiál (vtoky, nálitky, zmetky) je významnou složkou vsázky. Podle technologie odlévání a podle druhu odlitků může být využití tekutého kovu někdy i menší, než 50% a téměř vždy vratný materiál představuje značný podíl z nataveného kovu. Vratný materiál obsahuje větší množství vměstků, chemických nečistot a rozpuštěných plynů, než bývá v houskách. Jedná se tedy o méně kvalitní vsázkovou surovinu. Z hlediska kvality je důležitý tvar a znečištění vratného materiálu. Na povrchu každého kusu je vrstva oxidů, která se vsázkou vnáší do taveniny a zhoršuje její čistotu. Proto kompaktní kusy, např. nálitky, vtoky nebo zmetkové odlitky, které mají relativně malý povrch oproti objemu, bývají do vsázky kvalitativně vhodné. Naproti tomu tenkostěnné kusy vratného materiálu, zatekliny nebo dokonce broky, vzniklé rozstřikem kovu, mají velký povrch při malému objemu a vnáší do taveniny obrovské množství vměstků. Podíl vratného materiálu, který se uplatňuje do vsázky závisí na požadované kvalitě kovu – čím vyšší jsou kvalitativní nároky, tím méně se vsází vratného materiálu. Kov pro nejvyšší kvalitativní nároky se doporučuje tavit pouze z housek, kov pro málo náročné odlitky je možno tavit i ze 100 % vratu. Podíly kovu s vysokou povrchovostí (rozstřik, zatekliny) se doporučuje do vsázky nedávat vůbec a posílat je na přetavení hutním způsobem. Hliníkový šrot tvoří hlavně vyřazené součástky a třísky. Z kvalitativního hlediska se jedná o nejméně spolehlivé vsázkové suroviny. Závažnými výhradami vůči jejich použití jsou: - neznámé nebo nejisté chemické složení - možné znečištění organickými látkami (olej, mazadla, nátěrové hmoty apod.) - velké množství oxidických vměstků, chemické znečištění řadou jiných prvků (často v důsledku nedokonalého vytřídění – ložiska, železné součástky, součástky ze slitin mědi atd.) - šrot vnáší do vsázky vodu, vázanou jako hydroxid na povrchu nebo kapilárními silami v prasklinách a pórech (chemicky a kapilárně vázaná voda se odstraňuje až při teplotách, podstatně vyšších než 100 oC) Do slitin s vysokými kvalitativními požadavky by se hliníkový šrot neměl používat vůbec. Pokud se jako vsázkový materiál přesto používá, musí být vytříděný, odmaštěný a suchý. Třísky bývají znečištěny řeznými kapalinami, vytváří velké množství oxidických vměstků a do vsázky se vůbec nemají přidávat.
Energetická náročnost tavení: celková tepelná energie nutná na výrobu tekutého kovu s potřebnou licí teplotou se skládá z tepla ohřevu vsázky v tuhém stavu, skupenského tepla a tepla přehřátí. Jak vyplývá
- 20 -
z následujících tab. 7 a 8, je tepelný obsah roztavených slitin hliníku velmi vysoký (blíží se tepelnému obsahu slitin železa) – z toho vyplývá velká energetická náročnost tavení hliníkových slitin.
6) Slitiny mědi: měď je těžký neželezný kov se střední teplotou tání. Slitiny mědi začalo lidstvo používat již v 5. tisíciletí před n.l., jako prakticky první ze současných technických slitin. Důležitými fyzikálními vlastnostmi mědi jsou: -3 - hustota: 8940 kg.m o - teplota tání: 1084,5 C K významným vlastnostem mědi patří zejména mimořádně vysoká tepelná a elektrická vodivost. Přísadové prvky a nečistoty elektrickou vodivost snižují, a to často velmi významně. Tato skutečnost je důležitá při výrobě odlitků pro elektrotechnické účely, u nichž je nutno omezit množství prvků, snižujících elektrickou vodivost. Čistá měď má velmi špatné mechanické vlastnosti, nízkou tvrdost a špatnou obrobitelnost. Proto se pro jiné, než elektrotechnické účely používají téměř výhradně slitiny mědi. Slévárenské slitiny mědi: slitiny mědi se podle hlavního přísadového prvku dělí do dvou základních skupin - na bronzy a mosazi. Některé slitiny se však označují podle názvu hlavních prvků – např. mědinikl, chromová měď, nebo specifickými názvy pro slitiny určitého složení – např. pakfong apod. Slitina mědi se zinkem se nazývá mosaz. Podle vedlejších přísadových prvků mohou být mosazi manganové, niklové aj. Většina slitin s ostatními prvky se označuje jako bronzy. Bronzy se podle hlavního přísadového prvku nebo skupiny přísadových prvků dělí do jednotlivých materiálových skupin. Nejvýznamnějšími skupinami jsou bronzy: cínové, cínoolověné, hliníkové, olověné. Slitiny mědi jsou v České republice normalizovány dle evropské normy ČSN EN 1982. Způsoby odlévání slitin mědi využívají všechny běžné technologie. Převažuje lití do pískových forem, poměrně nízká licí teplota však umožňuje gravitační, nebo odstředivé lití do kovových forem. V hutních provozech je rozšířené kontinuální lití. Tlakové lití se používá jen velmi zřídka. S rostoucí rychlostí ochlazování se zjemňuje struktura, omezují segregace a celkově se dosahuje vyšších mechanických i dalších vlastností. Cínový bronz: základním legujícím prvkem je cín v množství 9-13 % Sn. Cínové bronzy někdy obsahují do 2 % Ni a do 0,5 až 1,0 % Pb. Obsah ostatních prvků je limitován nízkými hodnotami. Bronz s obsahem 5-10 %Sn a do 1 %P se často nazývá jako fosforový bronz. Používá se zejména jako ložiskový kov. Použití: Cínový bronz se používá pro odlitky, u nichž se kromě dobré pevnosti vyžaduje vysoká odolnost proti opotřebení – např. odlitky namáhané kluzným třením, kluzná ložiska, ozubená kola, čepy, armatury, synchronizační kroužky a jiné. Mechanické vlastnosti: Rm – 250 – 300 MPa ; Rp0,5 - 140 – 170 MPa ; A - 10 – 30 % ; HB - 80 – 100 Cíno-olověné bronzy: se dělí do dvou skupin: - slitiny mědi s cínem, zinkem a olovem – tzv. červené bronzy a - slitiny mědi s cínem a olovem Množství cínu v červených bronzech je obvykle sníženo na 4-8 %Sn a ve slitině je 2-9 % Zn a 3-8 % Pb v různých kombinacích (typická je např. slitina s 5 % Sn, 5 %Zn a 5 % Pb). V cíno-olověných bronzech bývá obsah olova zvýšen na 8-23 % Pb, cín je v rozmezí 8-11 %Sn a zinek je omezen na max. 2 %Zn. Použití: červený bronz bývá považován za levnější variantu cínového bronzu. Odlitky z červených bronzů se používají pro podobné účely, jako odlitky z cínových bronzů, oproti kterým mívají poněkud nižší mechanické vlastnosti a zejména tvrdost. Typickou oblastí použití jsou armaturní odlitky a jiné hydraulické komponenty. Cíno-olověné bronzy jsou určeny především pro kluzná ložiska pro vysoké namáhání, odlitky těsné za vysokých tlaků, odlitky do prostředí vodní páry, odolné proti korozi atd. Mechanické vlastnosti: Červené bronzy: Rm –220-260 MPa (při lití do písku), Rp0,2 – 110-130 MPa, A – 15-20 %, HB – 60-70 Cíno-olověný bronz: Rm – 180-220 MPa, Rp0,2 – 90-110 MPa, HB – 50-70 Hliníkový bronz: hliníkové bronzy patří do skupiny slitin s výbornými mechanickými vlastnostmi, vysokou odolností proti únavě, opotřebení, korozní odolností a odolností proti kavitaci. Hlavními legujícími prvky jsou železo, mangan a nikl. Pro slitiny Cu-Al je typické velmi úzké rozmezí mezi teplotami likvidu a solidu (úzké dvoufázové pásmo). Z toho sice vyplývá velký sklon k tvorbě soustředěných staženin a nutnost velmi masivního nálitkování, na druhou stranu ale zanedbatelný sklon k tvorbě rozptýlených staženin a ředin. Struktura odlitků je hutná a odlitky mají dobrou těsnost. Chemické složení hliníkových bronzů: v normě EN ČSN 1982 je uvedeno 5 druhů hliníkových bronzů. Všechny tyto slitiny mají obsah hliníku v rozmezí 8-11 (max.12) %Al a liší se zejména obsahem legur Fe, Mn a Ni. S rostoucím obsahem Al se zvyšují zejména hodnoty Rp0,2 a HB. Železo do asi 3 % Fe (výjimečně až do 6, resp. 7 %) zjemňuje strukturu slitiny a precipitačně zpevňuje matrici. Mangan zúžuje oblast α-fáze a rovněž zvyšuje pevnost. Současně se zlepšuje odolnost proti korozi. Obsah manganu bývá do max. 3 %Mn, obvykle však do 2%. Nikl v rozmezí 1-6 %Ni zvyšuje mechanické vlastnosti slitiny díky precipitačnímu zpevnění intermetalickou fází CuFeNi, snižuje však houževnatost. Mechanické vlastnosti: hliníkové bronzy mají mimořádně vysoké mechanické vlastnosti, které jednoznačně převyšují všechny ostatní slitiny mědi. Orientační hodnoty mechanických vlastností jsou: Rm = 500-650 (750) MPa, Rp0,2 = 180-300 (380) MPa, A = 15-30 (6)%, HB = 100-150 (180), E = 100-110 GPa, rázová práce až 37 J (v tepelně zpracovaném stavu). (Čísla v závorkách platí pro slitiny s vysokým obsahem niklu.)
- 21 -
Typické oblasti použití: součástky pro pumpy, třecí ložiska pro nejtěžší namáhání, patní ložiska, ozubená kola, šneková kola, plunžry, součásti do nejiskřivého prostředí, součástky odolné proti mořské vodě, solným roztokům, brakické vodě a organickým kyselinám atd. Olověný bronz: v kapalném stavu jsou měď a olovo částečně rozpustné, v tuhém stavu téměř nerozpustné, takže strukturu tvoří krystaly téměř čisté mědi a krystaly olova. V důsledku velmi rozdílných teplot tuhnutí a hustoty jsou oba prvky mimořádně náchylné na segregaci. To vyžaduje provádět časté míchání roztaveného kovu a provádí se i specielní metalurgické zásahy. Rychlé ochlazování omezuje rozsah segregace. Olověné bronzy mají dobré kluzné vlastnosti a používají se jako ložiskový kov. Obsahují až do 25 %Pb, někdy bez cínu, častěji s obsahem cínu do 10 %Sn. Malé přídavky niklu, cínu, zinku nebo manganu zjemňují strukturu a omezují segregaci olova. Niklový bronz (mědinikl): nikl má s mědí dokonalou rozpustnost v tuhém stavu, proto jsou možné jakékoliv kombinace těchto prvků. S rostoucím obsahem Ni se zvyšuje tvrdost a pevnost slitin, klesá však tažnost. Niklové bronzy mají dobrou houževnatost, odolnost proti tečení a výbornou korozní odolnost. Obvykle se používají ternární slitiny Cu-NiZn (pakfong) s obsahem do 20-25 %Ni, do 10 %Zn, případně rovněž s obsahem Pb a Sn. Slitina s 55-65 %Cu, 18-27 %Zn a cca 18 %Ni je známa jako alpaka. Chromová měď: specifickou oblastí použití chromové mědi jsou odlitky, u nichž se požaduje dobrá odolnost proti otěru a vysoká elektrická vodivost. Typickým výrobkem jsou kontakty sběračů pro trolejbusy, komutátorové lamely, elektrody pro odporové svařování, ale i některé neelektrotechnické výrobky, jako např. vodou chlazené dmyšny vysokých pecí a kuploven. Technické slitiny obsahují 0,4-1,2 % Cr a chemické složení se volí zejména s ohledem na dosažení požadované elektrické vodivosti. Mosaz: mosazi jsou důležitou materiálovou skupinou na bázi prvků mědi a zinku. Obsah mědi v mosazích bývá obvykle vyšší, než asi 55 %. Slitiny, které obsahují více, než asi 80 %Cu (tedy slitiny s nízkým Zn) se nazývají tombak. Slévárenské mosazi kromě zinku obsahují řadu přísad a nečistot, které ovlivňují vlastnosti slitiny. Podle typické barvy se slitiny na bázi prvků CuZn(SnPb) nazývají jako „žlutá mosaz“, slitiny, obsahující vysoký obsah manganu (10-20 %), jako „bílá mosaz“. Mosazné pájky obsahují 42-54 % Zn a mají tavicí teplotu 840-880 oC. Stříbrné pájky pro elektrotechnické účely obsahují 30-50 %Cu, 25-52 %Zn a 4-45 %Ag Mosaz je snad jedinou slitinou, pro jejíž označení se v technické praxi používá obsah základního prvku – tj. mědi. Např. označení materiálu Ms 58 znamená, že slitina obsahuje 58 % Cu. Vlastnosti mosazí: mechanické vlastnosti mosazí jsou střední. Vzhledem k velké variabilitě typů a složení je i spektrum vlastností velmi široké a dále uvedené hodnoty je nutno považovat pouze za orientační. - Rm = 200 – 300 MPa (manganová mosaz podstatně více – Rm = 500-750 MPa) - A = 10 – 20 %, - HB = 70 – 100 (legované mosazi až 200) Mechanické vlastnosti citlivě závisí na hodnotě zinkového ekvivalentu. Zinkový ekvivalent zahrnuje obsah zinku a některých dalších prvků ve slitině. Slévárenské vlastnosti mosazí jsou díky velmi úzkému pásmu tuhnutí výborné. Mají dobrou zabíhavost, malý sklon ke vzniku ředin. Určitou nevýhodou je poměrně značné lineární smrštění asi 1,5 %. Použití mosazí: typickou oblastí použití slévárenských mosazí je výroba vodovodních armatur, součástí čerpadel, pouzder, součástí, pracujících v prostředí solných roztoků a výroba dalších strojních součástek. Tavení slitin mědi: slitiny mědi se ve slévárnách taví nejčastěji v kelímkových pecích, vytápěných odporově, plynem (výjimečně jinými palivy) nebo v elektrických indukčních pecích. Jako vsázkové suroviny se používají housky slitiny příslušné značky, vratný materiál a tříděný měděný odpad. Mateřské tavby z čistých surovin se ve slévárnách provádí jen zřídka. Pro úpravu chemického složení se používají čisté přísadové kovy, těžko tavitelné nebo lehce oxidující kovy se přidávají jako předslitiny s mědí. Předslitinami jsou např. – Cu-Al, Cu-Fe, Cu-Ni, Cu-Si, Cu-Mn, Cu-Cr Cu-P a jiné, s různými obsahy legujících prvků. Cín, zinek a olovo se přidávají v čisté formě. Koncentrace přísad v tavenině se snižuje přidáváním čisté mědi. Vsázkové suroviny mohou být významným zdrojem naplynění taveniny. Velkým zdrojem naplynění je vlhká vsázka a vsázka, znečištěná organickými produkty (olej, mazadla apod.). Plyny ve slitinách mědi: u většiny slitin na bázi mědi dochází při jejich tavení na vzduchu k oxidaci a k naplynění vodíkem. Hlavním zdrojem plynů ve slitinách mědi je vodní pára, spaliny v tavicích pecích a organické nečistoty na vsázkových surovinách. Vodní pára pochází z pecní atmosféry, vyzdívky, solí, vlhké vsázky a nářadí, nebo z vlhkosti formy. Při styku s tekutým kovem se H2O rozkládá na vodík a kyslík, které se rozpouští v tavenině. Oxidací vznikají oxidické vměstky, které snižují mechanické vlastnosti odlitků. Vměstky, které se při tavení vyskytují v tekutém nebo v tuhém stavu, se pokud možno vážou do strusky. Pro vytvoření ochranné vrstvy strusky, reakci s vměstky v tavenině a jejich zachycení ve strusce se používají krycí a rafinační soli. Ve slitinách reaguje kyslík s mědí za vzniku oxidu měďného Cu2O, který se rozpouští v tavenině. Desoxidace se provádí fosforem, manganem nebo jinými prvky. Rozpustnost vodíku ve slitinách mědi závisí na teplotě kovu a na tlaku. V tekutém stavu je rozpustnost podstatně vyšší, než ve stavu tuhém. Proto během tuhnutí dochází k vylučování vodíkových bublin a vzniku pórovitosti (bublinatosti) odlitků. Obsah vodíku v tavenině se obvykle pohybuje v rozmezí 1-20 cm3 na 100 g taveniny. Mezi obsahem kyslíku a vodíku v tavenině je hyperbolická závislost, tj. že čím vyšší je obsah vodíku, tím nižší je obsah kyslíku a naopak - obr. 41. Hodnota rovnovážné konstanty je závislá na chemickém složení a na teplotě. Čím vyšší je teplota taveniny, tím vyšší je obsah rozpuštěných plynů.
- 22 -
Vzájemné závislosti množství rozpuštěného vodíku a kyslíku se využívá při metalurgickém vedení taveb, které se podle dominantního vlivu dělí na tavby vedené oxidačním nebo redukčním způsobem. Oxidační vedení tavby Spočívá v záměrném zvýšení obsahu kyslíku v kovu: - spalováním paliva s přebytkem vzduchu – oxidační plamen - solemi a přípravky, které obsahují tzv. nosiče kyslíku. Zdrojem kyslíku bývají snadno rozložitelné oxidy, např. CuO, nebo MnO2 Při oxidačním způsobu tavení je v tavenině nízký obsah rozpuštěného vodíku, nebezpečí vzniku plynových dutin je malé. Vysoký obsah kyslíku je nutno před odlitím snížit desoxidací. Redukční vedení tavby: Probíhá v prostředí, v němž se brání kontaktu taveniny s kyslíkem. Redukčního prostředí lze dosáhnout: - nastavením redukčního plamene (s přebytkem paliva) - pomocí redukčních krycích prostředků – nejčastěji pokrytím hladiny kovu dřevěným uhlím nebo redukčními přípravky Nevýhodou redukčního vedení tavby je nekontrolované naplynění vodíkem. Množství vodíku v tavenině je před odlitím nutno snížit některým způsobem odplyňování – např. použitím odplyňovacích solí, probubláváním inertními plyny nebo vakuováním. Obsah kyslíku v lázni je při redukčním vedení tavby malý a pro závěrečnou desoxidaci obvykle stačí použít jen menší množství desoxidačních prostředků. Ochrana taveniny proti naplynění: spočívá zejména v zamezení přímého kontaktu taveniny s okolní atmosférou. K tomu se používají krycí přípravky, obvykle směsi solí.. Účelem strusky je rovněž vazba vměstků a nečistot, vznikajících v kovu. Při redukčním vedení tavby je možno hladinu kovu pokrýt vrstvou dřevěného uhlí. Desoxidace slitin mědi: Desoxidace se provádí v závěru tavby před litím a jejím účelem je snížení obsahu kyslíku na přípustnou hodnotu. Desoxidačními prostředky u bronzů jsou zejména fosfor a dále kovové prvky hořčík, lithium a zinek. V mosazích působí jako desoxidační prvek zinek slitiny se nemusí dále desoxidovat. Desoxidační přípravky se do sléváren obvykle dodávají v podobě patron o určité hmotnosti, které se aplikují pro dané množství a typ slitiny, nebo se používají předslitiny těchto prvků s mědí. Zinek se aplikuje jako čistý kov Desoxidace fosforem: fosfor je obvyklým desoxidačním prvkem pro většinu bronzů. Používá se jako předslitina CuP10. Dodává se ve tvaru tabulky „čokolády“, která se na požadované množství dělí lámáním. Obvyklé dávkování je 0,2-0,4 % CuP10. U slitin s požadavky na vysokou vodivost provádí desoxidace fosforem pouze v nezbytném množství, nebo lépe předslitinami mědi s hořčíkem, bórem, lithiem, křemíkem nebo dalšími prvky, které mají na elektrickou vodivost méně nepříznivý vliv. Technologie tavení slitin mědi: Tavení mědi pro elektrotechnické a ostatní účely Při odlévání měděných polotovarů pro elektrotechnické účely je primárním požadavkem dodržení vysoké čistoty kovu s minimálním obsahem nežádoucích prvků, nekovových vměstků a plynů. Pro tavení čisté mědi se používají specielní metalurgické postupy a agregáty, zejména tavení ve vakuu, plazmové, elektronové a elektrostruskové tavení. Odlévají se ingoty a předlitky, které se dále zpracovávají tvářením. Tavení mědi pro výrobu odlitků pro elektrotechnické použití především slitiny Cu-Cr, výjimečně i jiné (např. Cu-Ag, Cu-Cd). Postup tavení: - Tavit v mírně redukční atmosféře pod redukčními krycími solemi. - Teplota přehřátí asi na 1200-1250 oC - Odplynění taveniny - Dvoustupňová desoxidace: 1. stupeň: 0,3-0,5 %Zn nebo asi 0,1-0,2 %CuP10; 2. stupeň: přípravky s kalciumboridem, Li, B, Si nebo Mg. - Licí teploty: tloušťka stěny < 15 mm: 1250 oC 15 - 40 mm: 1200 oC > 40 mm: 1150 oC Tavení mědi standardní kvality pro účely, které nevyžadují vysokou elektrickou vodivost - Nepříznivé slévárenské vlastnosti čisté mědi se zlepšují legováním asi 1%Sn nebo 1-2%Zn. - Tavení v oxidační atmosféře. - Desoxidace - 0,3 %CuP10. Tavení bronzů Cínové bronzy - Tavit v mírně oxidační atmosféře, nejlépe pod oxidačními tavicími přípravky. - Desoxidace 0,2-0,3 % CuP10 při teplotě 1100-1200 oC. - Dolegování cínu se provádí až po předběžné desoxidaci fosforem (jinak vznik SnO2 a velký propal cínu) - Odplynění se provádí obvykle odplyňovacími tabletami na bázi dusíku. - Licí teplota: tloušťka stěny < 15 mm: 1200 oC o 15 - 40 mm: 1170 C > 40 mm: 1130 oC Červené bronzy - Tavit v oxidační atmosféře - Desoxidace asi 0,2 %CuP10, zinek má částečně desoxidační účinek. Při Pzbyt> 0,02% dochází ke značné reakci mezi kovem a formou (zejména při vyšším obsahu Pb). - Dolegování prvků Zn, Pb a Sn provádět po předběžné desoxidaci fosforem při teplotě do 1150 oC
- 23 -
Přehřátí na licí teplotu, ne však nad 1200 oC Obvykle není nutno odplyňovat nebo přípravky na bázi dusíku Licí teploty: tloušťka stěny < 15 mm: 1200 oC 15 - 40 mm: 1140 - 1170 oC > 40 mm: 1100 - 1120 oC Při tavení cínových a červených bronzů ze silně znečištěných surovin je často nutno tavit pod dostatečnou vrstvou rafinačních solí. Olověné bronzy - Tavení v mírně oxidačním prostředí - Problémem je velká segregace – během tavby a zejména před litím je nutno taveninu pečlivě promíchat. K segregaci dochází i během tuhnutí (zvláště u masivních odlitků) - Používají se tavicí soli (s obsahem síry), které rovněž snižují segregaci olova - Desoxidace 0,5 %CuMn30, CuSi nebo CuP při asi 1100 oC a následně asi 0,5 %Zn - Teplota přehřátí až 1400 oC - Dolegování olova případně cínu - Licí teplota 1050-1100 oC Hliníkové bronzy - Taví se v neutrální nebo mírně oxidační atmosféře - Po roztavení je vhodné použít specielní krycí soli pro tento typ slitin nebo např. směs drceného skla a Na2CO3 v poměru 1 : 1 - Pečlivé odplynění neutrálními plyny (Al bronzy jsou velmi náchylné k naplynění vodíkem) - Zjemnění zrna specielními přípravky (na bázi Ti, Zr, B a dalších prvků) - Licí teploty: tloušťka stěny < 15 mm: 1250 oC 15 - 40 mm: 1200 oC > 40 mm: 1150 oC Slitiny Cu – Ni -
-
Tavení v neutrální nebo mírně oxidační atmosféře pod krycí vrstvou obsahující dřevěné uhlí silikáty a fluorové soli, např. kryolit, nebo pod specielními prostředky. (Při vyšším obsahu niklu však slitina rozpouští uhlík a nelze používat dřevěné uhlí) Slitiny Cu-Ni ve zvýšené míře pohlcují vodík a kyslík Odplynění odplyňovacími tabletami Dobrá desoxidace prostředky s B, Mn, Mg nebo Li Licí teploty (závisí zejména na obsahu niklu): Slitiny s asi 20 % Ni: tloušťka stěny < 15 mm: 1400 oC 15 - 40 mm: 1350 oC > 40 mm: 1280 oC (Slitiny s obsahem Zn, Sn a Pb mají licí teploty o 30-100 K nižší.) Slitiny s asi 65 % Ni: tloušťka stěny
< 15 mm: 15 - 40 mm:
1560 oC 1530 oC
> 40 mm:
1500 oC
Tavení mosazi: Způsob tavení mosazí je určen dvěmi základními vlastnostmi zinku: -
Teplota vypařování zinku je 905 oC. Vysoký tlak zinkových par v oblasti tavicích teplot mosazi brání rozpouštění vodíku. Proto je možné mosaz tavit v redukční atmosféře bez nebezpečí naplynění vodíkem. Obvykle není nutno provádět odplyňování. Při redukčním způsobu tavení dochází k malým ztrátám zinku a ostatních prvků propalem.
Zinek má vyšší afinitu ke kyslíku, než měď, proto se netvoří oxidy mědi. Oxidy zinku, případně hliníku, pokud je ve slitině obsažen, se vážou ve strusce na hladině kovu. Přesto se většinou provádí mírná desoxidace fosforovou mědí nebo přípravky s lithiem. Touto desoxidací se odstraňují oxidické pleny a zlepšuje zabíhavost. Při tavení mosazí s obsahem prvků se silnou afinitou ke kyslíku se používají krycí a rafinační prostředky. Jako tavidlo a krycí prostředek může sloužit např. směs 30 % Na2CO3, 40 % CaF2 a 30 % SiO2., také drcené sklo, tetraboritan sodný Na2B4O7 a jiné látky. Častěji se používají komerčně dodávané přípravky. Soli se po přidání na hladinu a roztavení ponoří ponorným zvonem ke dnu kelímku, tavenina se zamíchá a nechá asi 3 min. odstát. Struska se po vyplavání z hladiny stáhne. Technologie tavení mosazi s hliníkem je jednoduchá. Hliník tvoří na hladině ochrannou vrstvu, která brání oxidaci. Lze tavit bez krycích prostředků, případně se používají krycí prostředky, obsahující kryolit. o o Teplota likvidu běžných mosazí se pohybuje kolem 880-900 C (tombak má teplotu likvidu asi 920 C). Podle složení slitiny a tloušťky stěny odlitků se obvykle odlévá z licích teplot v rozmezí 950 – 1050 oC. Pro ošetřování taveniny se má používat nářadí z grafitu. Při použití ocelového nářadí dochází snadno k rozpouštění železa. -
- 24 -
