VÝROBA TEMPEROVANÉ LITINY
Temperovaná litina (dříve označovaná jako kujná litina – anglicky malleable iron) je houževnatý snadno obrobitelný materiál vyráběný tepelným zpracováním odlitků z bílé litiny. Její strukturu po odlití má tvořit pouze eutektický cementit a perlit. (Případný výskyt lupínkového grafitu neumožňuje dosažení očekávaných hodnot mechanických vlastností.) Při tepelném zpracování odlitků za vysokých teplot se cementit ze struktury odstraňuje rozkladem (grafitizací) nebo oduhličováním litiny. Podle postupu výroby je rozlišována temperovaná litina s bílým lomem (označována jako evropská) vyráběná oduhličováním nebo s černým lomem (americká), u níž se cementit při tepelném zpracování rozloží za vzniku charakteristického vločkového grafitu. Jako perlitické temperované litiny jsou označovány ty, které se po rozpadu cementitu rychle ochlazují k potlačení vzniku feritu a za-
jištění vysoké pevnosti. V současnosti jsou v normách řazeny k temperovaným litinám s černým lomem. Historie
Temperovaná litina byla historicky první slitinou železa, z níž byly vyráběny měkké a houževnaté odlitky. Nejstarší nejasné zmínky o její výrobě pocházejí ze 17. století. Za skutečného vynálezce příslušného výrobního postupu je považován francouzský fyzik R. A. F. Réamur, který v roce 1722 o ní zveřejnil první vědecké pojednání. V Americe zavedl výrobu kujné litiny v roce 1820 jednodušším způsobem Seth Boyden. Objem výroby odlitků z temperované litiny kulminoval v 50. a 60. létech 20. století. Pak začala být vytlačována litinou s kuličkovým grafitem s podobnými vlastnostmi, ale méně nákladnou výrobou. Přesto zůstává temperovaná litina výhodným materiálem pro drobné houževnaté odlitky (fitinky, nářadí, stavební kování, součásti zemědělských a textilních strojů, brzd, vidlice převodovek apod.), kde nelze užít ocel pro špatnou zabíhavost, ani litinu s kuličkovým grafitem, která při rychlém tuhnutí může obsahovat nežádoucí karbidy.
Specifické vlastnosti
Mechanickými i technologickými vlastnostmi leží temperovaná litina mezi litinou s lupínkovým grafitem a ocelí. Mechanické vlastnosti závisí především na poměru obsahu perlitu a feritu a dále na tvaru a množství grafitu. Zhoršuje je přítomnost sirníků. Nejmenší pevnost při dobré houževnatosti má litina s čistě feritickou strukturou. S rostoucím podílem perlitu vzrůstá pevnost i tvrdost, ale klesá houževnatost. Členitý grafit zhoršuje pevnost i tažnost. Svařitelnost temperované litiny je obtížná, s výjimkou oduhličené litiny s nízkým obsahem síry.
Temperovanou litinu je možno tavit ve všech běžných pecích. Nároky na obsah škodlivých prvků jsou nižší než u litiny s kuličkovým grafitem. Ve srovnání s litinou s lupínkovým grafitem obsahuje méně uhlíku a křemíku. Proto se při tavení v kuplovnách užívá vsázka s vysokým podílem ocelového odpadu. Vzhledem k nižšímu stupni eutektičnosti je třeba počítat s vyššími licími teplotami (1430 až 1500 °C), horší zabíhavostí a větším smrštěním při tuhnutí i chladnutí. K přídavkům na smrštění je třeba zahrnout i významnou změnu rozměrů odlitků při tepelném zpracování. Požadovaná struktura temperované litiny se dosahuje dlouhodobým tepelným zpracováním odlitků, při kterém dochází k oduhličení v oxidačním prostředí (temperovaná litina s bílým lomem) nebo ke grafitizaci (temperovaná litina s černým lomem). Výchozí složení litiny musí být voleno tak, aby při dané tloušťce stěn získaly odlitky v litém stavu karbidickou strukturu, při čemž karbidy mají být snadno odstranitelné žíháním. Vyloučení grafitu u tenkostěnných odlitků brání nízký obsah uhlíku a křemíku, přibližně: % C + % Si < 3,8 až 4,2 % nebo % C.(% Si + logM) < 4,5 kde M označuje modul odlitku [mm], který se obecně vyjadřuje poměrem objemu k povrchu uvažované části odlitku. Zpravidla je za modul pokládána polovina tloušťky stěny odlitku. Dále musí litina obsahovat co nejméně prvků, které stabilizují karbidy (Cr, V) a mít vhodný poměr Mn : S. U odlitků s většími tloušťkami stěn se užívají na-
Princip výroby
víc přísady prvků podporujících metastabilní tuhnutí, které ale nestabilizují karbidy (Te, Bi). Temperovaná litina s bílým lomem
Výchozí složení litiny pro žíhání na bílý lom bývá: 2,8 až 3,5 % C, 0,25 až 0,80 % Si, 0,15 až 0,80 % Mn, 0,05 až 0,15 % S, do 0,10 % P a do 0,08 % Cr. Pro případné zajištění svařitelnosti má být obsah fosforu do 0,05 % a síry do 0,1 %. Taveninu se doporučuje očkovat přísadami do 0,05 % Al, které urychlují odstraňování karbidů v průběhu žíhání. Průběh tepelného zpracování odlitků zachycuje obrázek žíhacího diagramu temperované litiny s bílým lomem. Žíhání se provádí při 900 až 1050 °C v oxidačním prostředí. Původně byly odlitky zasypávány železnou rudou nebo okujemi ve speciálních hrncích. Hospodárnější je žíhání v plynotěsných pecích s řízenou atmosférou, která se získává foukáním vzduchu a vodní páry. Podle doby, teploty žíhání a rozměrů odlitků se dosáhne úplné oduhličení jen v povrchové vrstvě odlitků, nebo v jeho celém průřezu. Pro oduhličování je třeba udržovat dostatečně nízký parciální tlak CO. Doporučované složení atmosféry, která litinu oduhličuje, ale nevede k nadměrné oxidaci povrchu odlitků je zhruba 8 % CO2, 26 až 28 % CO, 24 až 26 % H2 a 10 až 12 % H2O.
Obrázek žíhacího diagram temperované litiny s bílým lomem
Na povrchu odlitku dochází v průběhu žíhání k oxidaci uhlíku rozpuštěného v austenitu rekcí s FeO, O2, CO2 nebo H2O. Tím se poruší rovnováha mezi austenitem a cementitem, z kterého přechází uhlík do austenitu, a tím se množství cementitu snižuje, viz obrázek změny složení při temperování na bílý lom. Oduhličování pod povrchem odlitku probíhá difúzí uhlíku směrem k povrchu. Rychlost oduhličování je i při vysokých teplotách poměrně nízká. Zvyšují ji vyšší teploty a nižší obsah křemíku. Při žíhání může probíhat i rozpad cementitu na grafit a austenit. Grafit se však v austenitu rozpouští pomalu, a potřebná doba oduhličování se tím značně prodlužuje. Výsledkem žíhání je materiál buď úplně oduhličený (u odlitků s tloušťkou stěny do zhruba 6 mm), nebo oduhličený jen na povrchu, při čemž uvnitř obsahuje perlit a grafit, viz obrázek struktury odlitku z temperované litiny s bílým lomem. Proto je struktura odlitků silně závislá na tloušťce stěny odlitků a parametrech
O
žíhacího cyklu, což se odráží i na dosahovaných vlastnostech odlitků. Při stejném složení a tepelném zpracování mají odlitky větších tlouštěk vyšší podíl perlitu, vyšší pevnostní charakteristiky a tvrdost, ale nižší tažnost, viz obrázek vlivu tloušťky stěn na vlastnosti temperované litiny.
O
Obrázek změny složení při temperování na bílý lom
Je-li požadována vyšší pevnost, ochlazuje se ze žíhací teploty rychle, viz obrázek žíhacího diagramu temperované litiny s bílým lomem. Pomalé ochlazování do 630 °C nebo následující vyžíhání odlitků za nižších teplot (sferoidizace perlitu) dává litině vyšší tažnost a houževnatost.
Obrázek struktury odlitku z temperované litiny s bílým lomem
O
Obrázek vlivu tloušťky stěn na vlastnosti temperované litiny
O
Poznámky: GJMW 450-7 označuje temperovanou litinu s bílým lomem GJMB 450-6 označuje temperovanou litinu s černým lomem
Celý cyklus tepelného zpracování temperované litiny s bílým lomem včetně ohřevu a chlazení trvá 60 až 120 hodin, zatímco u temperované litiny s černým lomem pouze 20 až 30 hodin.
Temperovaná litina s černým lomem
Tepelné zpracování na černý lom se provádí v neutrální atmosféře. Jeho průběh uvádí příslušný obrázek. Výsledná struktura odlitků může být feritická až perlitická s vločkovým grafitem, viz obrázek struktury temperované litiny s černým lomem. Litiny s feritickou základní hmotou mají vyšší tažnost a houževnatost, zatímco perlitické litiny mají vyšší pevnostní charakteristiky a tvrdost.
O
Obrázek žíhacích diagramů temperované litiny s černým lomem
Doporučené složení feritické litiny s černým lomem je: 2,40 až 2,8 % C, 0,8 až 1,6 % Si, 0,3 až 0,5 % Mn, do 0,1 % P, do 0,15 % S, do 0,03 % B (zkracuje potřebnou dobu grafitizace) 0,01 až 0,02% Al (značně zvyšuje počet vloček temperového grafitu a urychluje grafitizaci), do 0,005 % Bi (pro potlačení vzniku grafitu při tuhnutí) a do 0,05% Cr (stabilizuje cementit a značně prodlužuje grafitizaci při temperování). Pro perlitickou litinu s černým lomem se doporučuje: 2,5 až 2,7 % C, 1,2 až 1,4 % Si, 0,3 až 1,0 % Mn (po-
tlačuje vznik feritu a stabilizuje eutektoidní perlit při popouštění nebo globulizačním žíhání), do 0,08 % P, do 0,12 % S a do 0,06 % Cr. Doporučované přísady 0,003 až 0,010 % Bi, 0,001 a až 0,15 % Te zejména u odlitků větších tlouštěk zajišťují metastabilní tuhnutí. Přísada zhruba 0,015 % Al je doporučována pro urychlení grafitizace a zvýšení počtu vloček grafitu. Přísady do 0,03 % B zkracují první údobí grafitizace. Přesným nastavením obsahu volného manganu (nevázaného na síru) je možno ovládat mechanické vlastnosti odlitků. Pří zhruba % Mn = 2 x % S + 0,15 % je možné při stejném složení vyrábět více jakostí. Pro výrobu značek s vyšší pevností se užívají přísady do 2 % Cu a do 0,5 % Mo. Měď má mírný grafitizační účinek (zhruba 10 x slabší než křemík), zjemňuje temperový uhlík, podporuje vznik perlitu, zvyšuje pevnost a odolnost proti korozi. Molybden jen slabě stabilizuje karbidy, podporuje vznik perlitu, mírně zvyšuje pevnost a tvrdost bez dopadu na tažnost, usnadňuje případné kalení a zvyšuje pevnost za vyšších teplot. Za teplot 900 až 975 °C probíhá první stadium (stupeň) grafitizace kdy se eutektický cementit rozpadá na grafit (temperový uhlík) a austenit. Její průběh příznivě ovlivňuje vyšší teplota, nižší obsah uhlíku a vyšší obsah křemíku. Za vyšších teplot se však vylučuje málo kompaktní, členitý grafit a roste nebezpečí deformace odlitků. (Snížení obsahu uhlíku zhoršuje slévárenské vlastnosti a zvýšení obsahu křemíku podporuje vznik lupínkového grafitu v litém stavu.) Síra rozpad cementitu brzdí, pokud není kompenzována vhodnou přísadou manganu. (Komplexní sirníky ovlivňují vznik zárodků grafitu a tvar vyloučeného
Grafitizace
grafitu.) Značný přebytek manganu však rozklad cementitu také zpomaluje. Za optimální je považován poměr Mn : S = 3 až 3,5. Vliv rychlosti ochlazování
O typu základní hmoty rozhoduje rychlost ochlazování přes eutektoidní interval mezi teplotami A1,2 a A1,1. Při pomalém ochlazování v intervalu 750 až 710 °C nebo prodlevě při 730 až 720 °C dochází ke 2. stupni grafitizace, kdy se austenit rozpadá na ferit a grafit. K získání čistě feritické struktury je nutná v kritickém intervalu rychlost ochlazování 2 až 5 °C/hod. Při vyšší rychlosti ochlazování obsahuje litina i určitý podíl perlitu. Vyšší obsah Si mezní rychlost ochlazování zvyšuje, zatímco přítomnost Mn a Cr ji zmenšují. Chróm, síra a mangan (pokud nejsou vázány na MnS) první i druhé údobí grafitizace výrazně prodlužují. Slaběji je prodlužuje fosfor, molybden, telur a vizmut. Za optimální je považován poměr Mn:S = 3:1 nebo % Mn = 1,7 %S + 0,15. Přebytek manganu podporuje vznik perlitu, zatímco jeho nedostatek sirníků FeS na hranicích zrn. Malá množství hliníku nebo boru 2. stupeň grafitizace zkracují výrazně, uhlík, nikl a měď slaběji. Perlitická základní hmota se získá rychlým ochlazením přes teplotní interval A1,2 – A1,1. Do zhruba 800 °C se ochlazuje pozvolna v peci a pak do zhruba 600°C na vzduchu rychlostí cca 1200 °C/hod. Ochlazování se doporučuje zastavit při zhruba 550 °C a provést sferoidizační žíhání při zhruba 740 °C, kterým se zlepší tažnost, houževnatost a obrobitelnost odlitků. Vyšší jakosti temperované litiny jsou následně tepelně zpracovány pochody, které odpovídají postupům při zušlechťování ocelí.
Obrázek struktury temperované litiny s černým lomem
Vlastnosti temperované litiny jsou blízké vlastnostem litiny s kuličkovým grafitem. Vzhledem k náročnému tepelnému zpracování se však výrobní náklady odlitků z temperované litiny blíží nákladům na výrobu ocelových odlitků, zatímco náklady na výrobu odlitků z litiny s kuličkovým grafitem bývají často nižší. Proto o volbě materiálu rozhodují většinou důvody technologické. Temperované litině bývá dávána přednost u drobných odlitků s tloušťkami stěn do zhruba 10 mm, viz obrázek odlitků z temperované litiny (ocel špatně zabíhá, litina s kuličkovým grafitem tvoří karbidy, a proto bývá nutné ji tepelně zpracovat). Na druhé straně je temperovaná litina nevhodná s ohledem na potřebu dlouhého tepelného zpracování pro těžké odlitky a odlitky větších tlouštěk – zejména přes 30 mm. Temperované litině je často dávána přednost u odlitků, které: – budou kalibrovány, děrovány, ohýbány nebo jinak deformovány za studena, – vyžadují značný objem obrábění, – vyžadují vysokou houževnatost za nízkých teplot,
O
Použití temperované litiny
– budou svařovány, – budou pokoveny. Temperovaná litina s bílým lomem se užívá pro klíče k zámkům a součásti zámků, třmeny, západky, svorky, háčky, spojovací díly bednění a lešení, fitinky pro rozvod vody a plynu, drobné odlitky pro motocykly a automobily, přivařovaná nápravová ložiska, závěsy kol, pedály, náboje kol atd. Feritická temperovaná litina s černým lomem se užívá pro drobné odlitky s vysokými nároky na houževnatost, např. stavební kování, klíče ke kohoutům, šroubové klíče, zátky, odlitky pro zvedáky a vznětové motory, články řetězů a dopravníků a součásti pro elektrotechniku. Perlitické temperované litiny s černým lomem se užívají pro odlitky se zvýšenými nároky na pevnost, např. upínky, konzoly, svorky, páky, vidlice převodovek, náboje kol, brzdové bubny, vidlice kloubových hřídelů, závěsy pružin, písty spalovacích motorů, ozubená a řetězová kola.
Obrázek odlitků z temperované litiny
O
