TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta strojní

Stanovení závislosti mechanických vlastností odlitků z litiny s lupínkovým grafitem na složení vsázky

ve slévárně ČŽS, a.s., Liberec

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Jan Vít

2007

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta strojní

Obor

Studijní program M2301 – Strojní inženýrství

Strojírenská technologie Zaměření strojírenská metalurgie

Katedra strojírenské technologie Oddělení strojírenské metalurgie

Stanovení závislosti mechanických vlastností odlitků z litiny s lupínkovým grafitem na složení vsázky

ve slévárně ČŽS, a.s., Liberec

Autor: Jan Vít

Vedoucí práce: prof. Ing. Iva Nová, CSc.

Konzultant: Ing. Jan Šmrha

Rozsah práce a příloh:

Počet stran: 69

Počet obrázků: 14

Počet grafů: 15

Počet tabulek: 16 Školní rok: 2006/2007

STR. 2 = ZADÁNÍ

ANOTACE

Téma: Stanovení závislosti mechanických vlastností odlitků

z litiny s lupínkovým grafitem na složení vsázky ve slévárně ČŽS, a.s., Liberec

Autor: Jan Vít

Vedoucí práce: prof. Ing. Iva Nová, CSc.

Konzultant: Ing. Jan Šmrha

Tato práce se zabývá stanovením závislosti mechanických vlastností odlitků z litiny s lupínkovým grafitem na složení vsázky ve slévárně ČŽS, a.s., Liberec.

Byla provedena analýza chemického složení vsázky při různém poměru vsázkových surovin. Hodnocené mechanické vlastnosti byly mez pevnosti v tahu Rm a tvrdost podle Brinella HB na tyčích průměru 30 mm. Dále byly stanoveny hodnotící kritéria litiny – stupeň zralosti RG, relativní tvrdost RH a index jakosti Qi.

ANOTATION

Theme: Assesment of mechanical parameters dependence of lamellar graphite cast iron castings on the charge composition in the ČŽS Foundry Inc. Liberec

The diploma thesis deals with the assesment of mechanical parameters dependence of lamellar graphite cast iron castings on the charge composition in the ČŽS Foundry Inc. Liberec. The chemical analysis of the charge referring to the different ratio of the charging stock was carried out. The assessed mechanical parameters concerned tensile strength limit Rm and Brinell hardness on test specimen with the diameter of 30mm. In addition, the cast iron classificatoin criteria were stated – the degree of maturity RG, the relative hardness RH and the quality index Qi.

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb. o právu autorském, zejména paragraf 60 - školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.

V Liberci 20. prosince 2006 ...

Jan Vít

PODĚKOVÁNÍ

Touto cestou děkuji vedoucí své diplomové práce prof. Ing. Ivě Nové,CSc.

za odborné vedení a cenné rady při řešení práce. Děkuji také Ing. Janu Šmrhovi za konzultace a podnětné připomínky.

Seznam použitých zkratek a symbolů:

CE - uhlíkový ekvivalent HB - tvrdost dle Brinella

LČG - litina s červíkovitým grafitem LKG - litina s kuličkovitým grafitem LLG - litina s lupínkovitým grafitem Re - mez kluzu v tahu [MPa]

Rm - mez pevnosti v tahu [MPa]

Rmo - mez pevnosti v ohybu [MPa]

Rp0,2 - smluvní mez kluzu v tahu [MPa]

Rpd - smluvní mez kluzu v tlaku [MPa]

RH - stupeň zralosti RG - relativní tvrdost

ρ - hustota, měrná hmotnost [kg·m^-3] Qi - index jakosti

SE - stupeň eutektičnosti

OBSAH

1. ÚVOD ... 10

2. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE ... 11

2.1. LITINY... 11

2.1.1. Bílá litina... 11

2.1.2. Grafitické litiny... 12

2.1.2.1. Litina s lupínkovým grafitem... 13

2.1.2.2. Litina s kuličkovým grafitem ... 14

2.1.2.3. Litina s červíkovitým grafitem... 15

2.2. SUROVINY NA TAVENÍ LITIN... 15

2.2.1. Suroviny na přípravu kovové vsázky... 16

2.2.1.1. Surová železa... 16

2.2.1.2. Ocelový odpad ... 17

2.2.1.3. Vratný materiál ... 18

2.2.1.4. Zlomková litina ... 18

2.3. ZÁKLADNÍ PRVKY... 19

2.3.1. Uhlík... 19

2.3.2. Křemík ... 19

2.3.3. Mangan... 20

2.3.4. Fosfor ... 20

2.3.5. Síra ... 21

2.4. LEGURY, STOPOVÉ PRVKY A NEČISTOTY... 21

2.4.1. Měď... 21

2.4.2. Nikl... 21

2.4.3. Chrom... 22

2.4.4. Vanad ... 22

2.4.5. Molybden ... 22

2.4.6. Hliník a Titan ... 23

2.4.7. Cín... 23

2.4.8. Antimon ... 23

2.4.9. Bór... 24

2.4.10. Telur ... 24

2.4.11. Olovo a vizmut... 24

2.4.11. Dusík ... 24

2.4.12. Kyslík ... 25

2.4.13. Vodík... 25

2.5. OČKOVADLA ... 25

2.5.1. Očkovadla na bázi křemíku... 26

2.5.2. Očkovadla na bázi uhlíku... 26

2.5.3. Očkovadla na bázi karbidu křemíku ... 26

2.6. VÝPOČET MECH. VLASTNOSTÍ ŠEDÉ LITINY ... 26

2.7. ZKOUŠENÍ... 28

2.7.1. Kontrola chemického složení... 28

2.7.2. Mechanické zkoušky... 31

2.7.2.1. Statické zkoušky ... 32

2.7.2.2. Zkouška tahem... 32

2.7.2.3. Zkoušky tvrdosti ... 36

3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST PRÁCE ... 40

3.1. TAVÍCÍ ZAŘÍZENÍ A VSÁZKOVÝ MATERIÁL... 40

3.2. TECHNICKO - METALURGICKÉ ÚDAJE ... 41

3.3. PŘÍPRAVA A ODEBÍRÁNÍ VZORKŮ ... 41

3.3.1. Klínová zkouška... 42

3.3.2. Chemická analýza ... 42

3.4. VÝROBA FOREM ... 43

3.5. ROZDĚLĚNÍ VZORKŮ V EXPERIMENTU ... 44

4. VÝSLEDKY EXPERIMENTU ... 45

4.1. MECHANICKÉ VLASTNOSTI ... 45

4.2. HODNOTÍCÍ KRITÉRIA... 61

4.3. INDEX JAKOSTI ... 65

5. DISKUZE VÝSLEDKŮ... 66

6. ZÁVĚR... 68

7. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY... 69

1. ÚVOD

Litiny s lupínkovým grafitem jsou poměrně levným konstrukčním materiálem s dobrými technologickými vlastnostmi (především slévatelností). Jejich mechanické vlastnosti se vyznačují velmi nízkou plasticitou a houževnatostí, což souvisí s přítomností lupínkového grafitu v matrici těchto litin. Z důvodu stoupajících cen surovin k výrobě litiny mají výpočty mechanických hodnot litiny velký význam.

Pro vyhodnocení mechanických vlastností šedé litiny používáme matematické vztahy mezi chemickým složením a základními mechanickými vlastnostmi. Byly proto sestaveny matematické rovnice pro výpočet pevnosti v tahu, tvrdosti a modulu pružnosti u vzorků litých v provozních podmínkách. Teoreticky vypočtené hodnoty mechanických vlastností srovnáme se skutečnými hodnotami a obdržíme tzv. “ stupeň zralosti “ a “ relativní tvrdost “ odlité litiny

Výsledkem této práce je návrh optimálního složení vsázky pro litinu na odlitky relativně tvrdší – namáhané otěrem (např. brzdové bubny) a pro relativně měkčí odlitky – dynamicky namáhané (např. odlitky pro automobilový resp. traktorový průmysl).

2. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE

2.1. LITINY

Litiny jsou slitiny železa s uhlíkem a dalšími prvky, v nichž je uhlík vyloučen ve formě grafitu nebo vázán jako karbid železa Fe3C, případně karbid jiného prvku.

Obsah uhlíku převyšuje hodnotu 2,08 %, což je maximální rozpustnost uhlíku v austenitu při eutektické teplotě. Ostatní prvky (Si, Mn, P, S a v menší míře další) více či méně ovlivňují jak strukturní, tak mechanické vlastnosti základní kovové hmoty a tvar vyloučeného grafitu.

Litiny se dělí na bílá litina a grafitické.

Litiny krystalizují podle stabilního nebo metastabilního diagramu, které se liší eutektickou krystalizací. Základní odlišností je eutektikum, které vzniká při krystalizaci.

V podmínkách metastabilní rovnováhy vzniká ledeburit, což je směs austenitu a cementitu. I další fázové přeměny probíhají v souladu s metastabilní soustavou.

Podle metastabilní soustavy železo – karbid železa krystalizují cementitické litiny.

Ve struktuře není přítomen volný grafit, takže se tyto litiny nazývají bílé litiny, podle zbarvení lomové plochy.

V grafitických litinách probíhá eutektická reakce podle stabilní soustavy železo – grafit. Jedním z jejích produktů je grafit (elementární uhlík krystalizující v hexagonální soustavě), který zůstává ve struktuře jako charakteristická strukturní složka bez ohledu na to, či další fázové přeměny probíhají v souladu s metastabilní nebo stabilní soustavou [1].

2.1.1. Bílá litina

Bílé litiny krystalizují podle metastabilního rovnovážného diagramu Fe-C-Si a jsou tvořeny směsí strukturně volného cementitu (eutektický a sekundární, popř. i primární) a perlitu, který vznikl eutektoidní přeměnou ledeburitického a primárního austenitu. Struktura tohoto druhu vzniká všeobecně při nižším obsahu grafitotvorných a zvýšeném obsahu karbidotvorných prvků v litině nebo při vyšší rychlosti tuhnutí taveniny ve formě. Bílá litina má značnou tvrdost, která vzrůstá se zvyšujícím se podílem

cementitu ve struktuře (350 až 500 HB). Vyrábějí se z ní jednoduché odlitky, které mají mít vysokou tvrdost a odolnost proti opotřebení, např. lopatky pískometů nebo metacích tryskačů. Jejich tvrdost je možno ještě zvýšit (na 62 HRC) martenzitickým kalením.

Převážná část odlitků z nelegované bílé litiny však představuje výchozí produkt k výrobě litiny temperované.

2.1.2. Grafitické litiny

Struktura grafítických litin je tvořena základní kovovou hmotou (matricí), v níž je přítomen grafit. Vlastnosti těchto litin ovlivňuje jak druh matrice, tak tvar, velikost, množství a rozložení částic grafitu. Grafit se v grafitických litinách může vyskytovat jako lupínkový, pavoučkovitý, červíkovitý, vločkový a nedokonale nebo pravidelné zrnitý.

Podle tvaru grafitu se grafitické litiny dělí: litina s lupínkovým grafitem (GJL) litina s kuličkovým grafitem (GJS) litina s červíkovitým grafitem (GJV)

Obr. 1: Druhy grafitu – schematické znázornění I - lupínkový grafit

II - pavoučkový grafit III - červíkovitý grafit IV - vločkový grafit

V - nedokonale kuličkový grafit VI - pravidelně kuličkový grafit

2.1.2.1. Litina s lupínkovým grafitem

Litiny s lupínkovým grafitem (GJL) jsou poměrně levným konstrukčním materiálem s dobrými technologickými vlastnostmi (především slévatelnost).

Pokud jde o mechanické vlastnosti, vyznačují se velmi nízkou plasticitou a houževnatostí, jež souvisí s přítomností lupínkového grafitu v matrici těchto litin. Převážnou většinou jsou to podeutektické slitiny, jejichž chemické složení bývá obvykle: 2,5 až 4,0 % C; 1,7

až 2,5 % Si; 0,5 až 1,0% Mn; 0,5 až 0,6 % u některých druhů odlitků až 0,1%P; max. 0,15

% S. Nejdůležitější přísadou je křemík, jehož obsah v litině závisí na rychlosti chladnutí (tloušťce stěny) odlitku. Tenkostěnné odlitky vyžadují vyšší obsah Si, který svým grafitizačním účinkem kompenzuje vliv manganu, popř. síry (karbidotvorné prvky), ale i vliv rychlosti chladnutí a zaručuje vznik grafitického eutektika i ve slabých průřezech odlitku. Jak bylo již naznačeno, křemík snižuje koncentraci uhlíku v eutektiku (podobně působí fosfor, opačně mangan), tzn. že původně binární podeutektická litina (Fe-C) bude se vzrůstající přísadou Si tuhnout jako eutektická, popř. nadeutektická. Se vzrůstem obsahu Si se proto bude zvětšovat podíl grafitu v matrici litiny (vzniká také hrubší grafit), což není výhodné zejména z hlediska pevnostních vlastností odlitku. Pro posouzení účinků křemíku a dalších prvků na koncentraci uhlíku v eutektiku, a tím vlastně i na podíl a hrubost grafitu v matrici litiny (tzn. i na vlastnosti litiny), se používá uhlíkový ekvivalent Ce nebo stupeň eutektičnosti Sc.

2.1.2.2. Litina s kuličkovým grafitem

Litina s kuličkovým grafitem (GJS), dříve nazývana jako tvárná litina, je tvořena základní kovovou hmotou a grafitem, který je vyloučen ve tvaru kuliček. Vyloučení kuličkového grafitu se dosahuje modifikací litiny pomocí hořčíku. K dosažení tohoto tvaru grafitu je nutné, aby bylo v litině minimálně 0,025 % Mg . Částečně sferoidisační účinek mají i některé jiné prvky, např. Ca a další, jejich účinek je však nedostatečný a aplikace problematická. Hořčík je proto jediným technicky vhodným modifikačním prvkem.

Grafit má být vyloučen jako dokonale kuličkový, jemný, rovnoměrně rozložený.

Odchylky od kuličkového tvaru se považují za nežádoucí. Dispersita grafitu se hodnotí počtem kuliček na mm². Z hlediska mechanických vlastností se preferuje litina s vysokou dispersitou grafitu – obvykle nad 100-150 kuliček /mm². Litiny s příliš jemně vyloučeným grafitem však mají horší technologické vlastnosti, zejména se zvětšuje rozsah mikrostaženin a pórovitost odlitků. S rostoucí tloušťkou stěn odlitku, resp. s klesající rychlostí ochlazování, se dispersita grafitu dosti progresivně zmenšuje, až k hodnotám kolem 50 zrn/mm² i nižším. Malá dispersita je příčinou řady metalurgických vad. Dosažení dokonale kuličkového, pravidelně rozloženého grafitu s optimální dispersitou patří mezi nejobtížnější metalurgické problémy tohoto typu litiny.

2.1.2.3. Litina s červíkovitým grafitem

Litina s červíkovitým grafitem (GJV) je slitina železa s uhlíkem, křemíkem, manganem a dalšími prvky, přičemž uhlík, který není vázán ve strukturních složkách základní kovové hmoty, je vyloučen jako grafit převážně červíkovitého tvaru.

Má-li být použito nejvýhodnější kombinace vlastností litiny s červíkovitým grafitem je nutno se snažit dosáhnout pro většinu případů 80—90% červíkovitého grafitu ve struk- tuře a zbytek tvoří kuličkovitý grafit (žádný lupínkový grafit).

Struktura základní kovové hmoty litiny s červíkovitým grafitem může být tvořena feritem, feritem a perlitem, perlitem, bainitem, martenzitem nebo sorbitem. Volný cementit je ve struktuře nežádoucí. Pevnost v tahu se pohybuje v rozsahu 350 až 550 MPa v závislosti na uhlíkovém ekvivalentu, struktuře základní kovové hmoty, charakteru červíkovitého grafitu a rychlosti chladnutí. Hodnoty meze kluzu leží v rozsahu 260—380 MPa. [2]

2.2. SUROVINY NA TAVENÍ LITIN

Základní suroviny na tavení litin se rozdělují na:

1. Suroviny na přípravu kovové vsázky:

— surová železa

— ocelový odpad

— vratný materiál

— zlomky

— legury a nauhličovadla 2. Struskotvorné přísady:

— vápenec a vápno

— materiály na řízení strusky (kazivec, dolomit, kalcinovaná soda, křemenný písek, šamotová drť, skleněné střepy)

— oxidanty (železná ruda, okuje, kyslík)

— přísady na úpravu strusky (karbid vápenatý, koks, FeSi)

3. Palivo:

— koks

— náhradní paliva (plyn, olej)

2.2.1. Suroviny na přípravu kovové vsázky

2.2.1.1. Surová železa

Surová železa představují základní materiál kovové vsázky, který má nejvyšší význam pro chemické složení, vlastnosti a náklady na výrobu litiny.

Podle obsahu křemíku se surová železa se rozdělují na:

— slévárenská (vysoko křemíkatá) železa s obsahem Si > 1,25 %,

— ocelárenská (nízko křemíkatá) železa s obsahem Si < 1,25 %.

Kromě základních, zaručených prvků je nutno znát i obsah uhlíku a stopových prvků. Slévárenská surová železa mají obsah C nižší (3,75 až 4,25 %) než ocelárenská železa (4,2 až 4,7 %). Obsah stopových prvků, především Cr, Cu, Ni a V, často převyšuje únosnou hranici a velmi ovlivňuje mechanické a technologické vlastnosti vyrobené litiny. Proto se musí obsah těchto prvků sledovat a i s jejich účinkem se musí při výrobě počítat.

V minulosti se velký význam přikládal „dědičným vlastnostem" surových želez.

Šlo o schopnost přenášet určité specifické vlastnosti (sklon k vytváření staženin, zákalkám, tvrdost a pod.) do vytavené litiny. Dokázalo se, že tyto vlastnosti jsou výsledkem působení stopových prvků a příměsí dusíku, vodíku a kyslíku. Vliv těchto prvků lze úplně potlačit vysokým přehřátím litiny v peci a zvýšenou bazicitou strusky.

Toto je jedním z důvodů proč je výhodné skladovat jednotlivé dodávky surových želez samostatně a kombinovat je při vsázkování. Důležitá je i kvalita surového železa.

Technické požadavky se nacházejí v technických dodacích předpisech (ČSN 421221).

2.2.1.2. Ocelový odpad

Ocelový odpad se používá na snížení obsahu uhlíku, případně křemíku v litině, resp. při tavení syntetické litiny. Velmi ovlivňuje vlastnosti vyráběné litiny.

Zhoršuje zabíhavost a plastické vlastnosti litiny, zvyšuje jejich tvrdost, sklon k vytváření zákalky a smršťování. Tento vliv můžeme vysvětlit v souvislosti s vyšším naplyněním litiny, přičemž nositelem — zejména dusíku a vodíku — je ocelový odpad malé kusovitosti s velkým povrchem (tenké plechy).

Se zvyšujícím se obsahem ocelového odpadu ve vsázce se však zvyšují pevnostní charakteristiky litiny. Velmi důležitá je kusovitost, tvar a čistota ocelového odpadu. Optimální kusovitost má dosahovat v porovnaní s ostatními kovovými složkami vsázky přibližně poloviční hodnoty. Dlouhé kusy tyčového tvaru způsobují „zavěšování" vsázky a poškozování vyzdívky pece. Proto se doporučuje velikost kusů 250 x 200 x 100 mm při tloušťce 8 až 10 mm a váze 35 kg. Rozměry kusů závisí na rozměrech kuplovny, aby se nezachycovaly, nemají být delší než 1/3 průměru kuplovny.[10]

Znečištěný ocelový odpad, např. odpad velmi zrezavělý nebo znečištěný mastnotami (oleji) a organickými nečistotami, zvyšuje obsah vodíku v tekutém kovu.

Třídění ocelového odpadu je velmi důležité zejména se zaměřením na legury (Cr, Mn, Ni) a na nežádoucí neželezné kovy (Cu, P, Sn, Zn), které při tavení zcela nebo částečně přecházejí do tekutého kovu.

Kvalitu a třídění ocelového odpadu předpisuje ČSN 420030 (Ocelový a litinový odpad). Norma rozděluje ocelový odpad do tříd podle chemického složení, a to nelegovaný ocelový odpad (10 tříd) vhodný zejména na tavení litiny, a na legovaný odpad, vhodný na výrobu legovaných ocelí a litin v elektrických pecích. Norma zároveň určuje druhy ocelového odpadu podle tvaru, rozměrů a hmotností jednotlivých kusů.

Základní druhy ocelového odpadu

— těžký upravený kusový odpad (8 druhů),

— velké kusy odpad (7 druhů),

— lisovaný odpad (7 druhů),

— neupravený odpad (7 druhů),

— třísky (2 druhy),

— drobný odpad (1 druh),

— těžký upravený kusový odpad do 400 mm (5 druhů),

— zmetky a ostatní odpad (6 druhů).

Cena ocelového odpadu se mění podle tříd a podle druhu a způsobu použití.

Při větší spotřebě je vhodnější nakupovat neupravený odpad a jeho úpravu pro konkrétní podmínky tavení zabezpečovat ve vlastní režii.

2.2.1.3. Vratný materiál

Vratný materiál je nejlacinějším a nejdostupnějším vsázkovým materiálem.

Před použitím se musí důkladné třídit (zejména při výrobě legovaných litin) a čistit (zbavit formovacího materiálu). Také se musí upravit na potřebnou kusovitost.

Vysoký podíl vratného materiálu ve vsázce je nežádoucí, protože zvyšuje obsah síry. Zároveň nežádoucím způsobem ovlivňuje složení strusky, její metalurgické účinky a v důsledku zvýšení její viskozity vznikají i problémy při jejím odpichu. Doporučuje se maximální podíl vratného materiálu 60%

hmotnosti kovové vsázky.

2.2.1.4. Zlomková litina

Zlomková litina je vlastně litinový spotřebitelský odpad. Je velmi výhodnou složkou vsázky, protože kromě zvýšení nákladů na vsázku velmi pozitivně působí na chod kuplovny a samotný tavící proces.

Zlomková litina se musí důkladně vytřídit. Obsah ocelového odpadu v ní se připouští do 5 % hmotnosti zlomkové litiny. Musí být zbavená kovových povlaků a neželezných kovů. Nesmí být prorezavělá (povrchové zrezavení je dovolené), spálená a znečištěná nekovovými příměsemi, které mohou dosahovat maximálně 2 % hmotnosti dodávky.

Třídění, zkoušení, skladování, dopravu a dodávání zlomkové litiny (i ocelového odpadu) určuje ČSN 42 0030 (Ocelový a litinový odpad). Litinový odpad je rozdělený podle chemického složení (resp. podle značek litiny) do 9 tříd (211 až 214, 215, 225, 227, 235, 241) a na základě kusovitosti (tvar, rozměry a hmotnost kusů) do 8 druhů (01 až 08). [8]

2.3. ZÁKLADNÍ PRVKY

2.3.1. Uhlík

Uhlík spolu s křemíkem má největší vliv na strukturu a vlastnosti litin. Samotný uhlík má poměrně malý vliv na mechanické vlastnosti, mírně snižuje pevnost a tvrdost.

Uhlík podporuje grafitizaci. Větší množství uhlíku vyloučeného ve formě grafitu zlepšuje útlumové vlastnosti. Litina při vylučování grafitu zvětšuje svůj objem, tím se kompenzuje stahování, ke kterému dochází při krystalizaci austenitu. Čím více uhlíku je vyloučeno jako grafit, tím je celkové stažení litiny při tuhnutí menší. Tento fakt umožňuje omezit, případně až zcela vyloučit nutnost nálitkování litin. Při vyšším obsahu však uhlík způsobuje zhrubnutí grafitu.

2.3.2. Křemík

Křemík je kromě uhlíku nejvýznamnějším prvkem v litinách. Při tuhnutí výrazně podporuje grafitizaci, při eutektoidní přeměně podporuje vznik feritu. Pří nízkém obsahu křemíku se silně zvyšuje sklon ke tvorbě zákalky.

V přítomnosti křemíku dochází ke snížení eutektické koncentrace uhlíku a zmenšení oblasti stability austenitu. Při obsahu 2 % Si je maximální rozpustnost uhlíku v austenitu jen kolem 1,5 % C. Křemík způsobuje vznik třífázového pásma v oblasti eutektoidní transformace, v níž vedle sebe koexistuje ferit, austenit a grafit. Zvyšující se obsah křemíku má za následek zvyšování teplot eutektoidní transformace Aw a Au

a zvětšení teplotního intervalu mezi nimi. To je nutno respektovat zejména při volbě teplot tepelného zpracování.

Z vlivů na mechanické vlastnosti litin je významné, že křemík zvyšuje tvrdost feritu, snižuje jeho tažnost a rázovou houževnatost. Vliv křemíku na pevnost a tvrdost se však projevuje především zprostředkovaně jeho feritotvorným účinkem - zvětšení

podílu feritu ve struktuře vede ke snížení pevnosti a tvrdosti litiny. Důležitou vlastností křemíku, která se negativně projevuje zvláště u odlitků z feritické litiny s kuličkovým grafitem je, že zvyšuje tranzitní teplotu a tím podporuje vznik křehkých lomů.

2.3.3. Mangan

Mangan má při tuhnutí litiny pouze malý vliv na grafitizaci. Při obsahu nad 0,5 % působí mírně antigrafitizačně. Při vyšším obsahu (přibližně nad 1 %) může podporovat vznik přechlazeného grafitu. Při pomalém ochlazování v tenkých stěnách odlitku dochází k segregaci manganu do zbývající taveniny, v níž se mohou tvořit karbidy. Významný je vliv manganu při eutektoidní transformaci. Mangan stabilizuje perlit (zejména u litiny s kuličkovým grafitem), zvyšuje jeho dispersitu (zjemňuje perlit), zvyšuje pevnost, tvrdost a odolnost proti otěru.

Důležitou funkcí manganu u litiny s lupínkovým grafitem a bílé litiny je vázání síry podle vztahu:

[FeS] + [Mn] = [MnS] + [Fe]

Minimální obsah manganu se doporučuje volit:

Mn = 1,7. S + 0,3 [%] - pro grafitickou litinu Mn = 1,7.S + 0,15 [%] - pro bílou litinu

2.3.4. Fosfor

Fosfor mírně podporuje grafitizaci. V GJL do obsahu 0,4 - 0,5 % P mírně zvyšuje pevnost, tvrdost a otěruvzdornost, při vyšším obsahu však pevnost snižuje. Fosfor během tuhnutí výrazně segreguje do zbylé taveniny a na hranicích zrn tvoří fosfidické síťoví.

Síťoví steaditu způsobuje výrazné snížení dynamických vlastností (tedy křehkost) litiny.

Ke vzniku fosfidického eutektika dochází již při obsahu P > 0,02 %. Segregaci fosfidického eutektika podporují Mo, Cr, W a V, a proto je zejména v takto legovaných litinách nutné udržovat obsah fosforu co nejnižší. Fosfidické eutektikum je tvrdé a křehké,

a proto výrazně snižuje houževnatost a zhoršuje obrobitelnost. U dynamicky namáhaných odlitků má být obsah fosforu co nejnižší. Zejména v litině s kuličkovým grafitem má na mechanické vlastnosti velmi nepříznivý vliv a je nutné udržovat P < 0,08 %.

V důsledku tvorby nízkotavitelného eutektika fosfor zvyšuje zabíhavost litin.

Z tohoto důvodu se u velmi tenkostěnných a uměleckých odlitků jeho obsah zvyšuje, někdy až na 1 % i více.

2.3.5. Síra

Síra je nežádoucí prvek. Má silný sklon k segregaci a při vyšším obsahu, pokud není vázána na mangan, zabraňuje grafitizaci a způsobuje křehkost litiny.

Vliv na grafitizaci je tím nepříznivější, čím nepříznivější jsou ostatní grafitizační podmínky. Síra se podstatným způsobem podílí na vzniku grafitizačních zárodků, proto při extrémně nízkém obsahu síry - pod přibližně 0,008 % S, se opět grafitizace zhoršuje. Pro chemickou analýzu síry není vhodné použití spektrálních metod, neboť neumožňují rozlišit mezi sírou v roztoku a sírou v chemických sloučeninách.

2.4. LEGURY, STOPOVÉ PRVKY A NEČISTOTY

Měď mírně podporuje grafitizaci. V množství 0,5-1,5 % se používá pro stabilizaci perlitu v GJL, ale zejména v GJS pro zvýšení mechanických vlastností a tvrdosti litiny.

Zejména u tvárné litiny se s výhodou kombinuje s chrómem, obvykle v poměru Cu : Cr = 4 : l, 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.

2.4.2. Nikl

Nikl má podobné účinky jako měď - působí mírně grafitizačně, stabilizuje perlit, zvyšuje mechanické vlastnosti, rovněž při nízkých teplotách. Pro tyto účely se přidává

do obsahu až 4 %. Při obsahu nad cca 18 % (za přítomnosti Cu již od cca 13 %) nikl stabilizuje ve struktuře austenit.

2.4.3. Chrom

Chrom je silně karbidotvorný prvek. Podporuje metastabilní tuhnutí. Zvyšuje dispersitu grafitu (zjemňuje grafit), často bývá příčinou vzniku mezidendritického grafitu.

Působí perlitotvomě, perlit zjemňuje. 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 %).

2.4.4. Vanad

Vanad je velmi silně karbidotvorný a středně silně perlitotvorný prvek, perlit významně zjemňuje.Vanad zvyšuje pevnost a tvrdost litiny. Používá se však zřídka, obvykle tehdy, jestliže se má dosáhnout vysoké otěruvzdornosti, např. při výrobě brzdových bubnů. Leguje se do maximálně 0,2-0,3 % V.

2.4.5. Molybden

Molybden je velmi významná, avšak velmi drahá legura. Molybden sám o sobě nezvyšuje zákalku ani nepůsobí perlitotvorně, vznikající perlit však výrazně zjemňuje.

Proto se používá v kombinaci s perlitotvornými prvky (má silný synergický účinek s Cr, Cu a Ni). Zvyšuje pevnost perlitické základní kovové hmoty a stabilizuje strukturu za vyšších teplot. Snižuje citlivost struktury na rychlost ochlazování, uplatňuje se proto u odlitků s nestejně tlustými stěnami. Pokud vzniká struktura feritická, je účinek molybdenu málo významný. Spolu s niklem umožňuje výrobu bainitické litiny v litém stavu. Leguje se v množství do maximálně 0,8-1,0 %. Za přítomnosti fosforu zvětšuje molybden sklon ke vzniku fosfidového eutektika, obsah P je tedy nutno udržovat co nejnižší.

Jako mikrolegury se obvykle označují prvky, které se přidávají ve velmi malém množství a jejichž účelem je stabilizovat některou složku ve struktuře.

2.4.6. Hliník a Titan

Hliník a titan tvoří s uhlíkem a dusíkem karbidy a nitridy. Hliník do obsahu asi 4,5 % a titan do asi 0,5 % podporují grafitizaci. Při vyšším obsahu působí antigrafitizačně. Legují se obvykle v množství do 3 % Al a do 0,l % Ti. Titan tvoři karbidy TiC, které značně snižují životnost obráběcích nástrojů. Již v malém množství však zvyšuje obsah feritu a tvrdost litiny se celkově snižuje. V GJS však jsou oba prvky, zejména však Ti, nežádoucí, neboť brání vzniku kuličkového grafitu.

2.4.7. Cín

Cín působí silné perlitotvorně. Pro dosažení zcela perlitické struktury obvykle stačí množství do 0,1 – max. 0,15 % Sn. Cín zvyšuje dispersitu perlitu, zvyšuje pevnost a tvrdost litiny. Perlitotvorný účinek cínu, podobně jako antimonu a mědi, je způsoben tím, že omezuje difúzi na hranici mezi austenitem a grafitem. Legování cínem se používá zejména při odlévání odlitků z GJL, u nichž se vyžaduje čistě perlitická struktura.

U GJS se pro dosažení perlitické struktury místo cínu leguje obvykle mědí.

2.4.8. Antimon

Antimon působí podobně jako Sn, ale silněji. Zcela perlitickou strukturu obvykle zajišťuje již při obsahu 0,03-0,06 % Sb. Cín a antimon se mají legovat pouze v množství nutném pro dosažení plně perlitické struktury. Při vyšším obsahu dochází, zejména u antimonu, k výraznému poklesu pevnosti. U GJS antimon intenzivně působí proti vzniku kuličkového grafitu, považuje se za velmi škodlivý prvek a jeho obsah bývá limitován na max. 0,004 %.

Cín a antimon mají při přetavování malý propal a jejich přítomnost ve vratném materiálu nebo jiných složkách vsázky může neplánovaně ovlivnit strukturu tavené litiny.

Vratný materiál, legovaný těmito prvky, by proto měl být skladován odděleně.

2.4.9. Bór

Bór je velmi silně karbidotvorný a nitridotvorný prvek. Zvyšuje tvrdost a otěruvzdornost, a proto se někdy používá pro mikrolegování litiny, např. pro brzdové kotouče.

2.4.10. Telur

Telur silně stabilizuje karbidy. Používá se jako součást nátěrů forem a jader v místech, kde je nutno dosáhnout perlitickou strukturu nebo zabránit vzniku hrubého grafitu, obvykle v tepelných uzlech odlitků se značnými rozdíly tlouštěk stěn (např. v nábojích odlitku). V GJS se chová podobně jako síra a má nepříznivý vliv na tvar grafitu.

Stopové prvky a nečistoty se do litiny dostávají z použitých surovin.

Jejich škodlivý účinek se projevuje zejména tím, že způsobují vznik degenerovaných forem grafitu

2.4.11. Olovo a vizmut

Olovo a vizmut 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 a kadmium. Nároky na nízký obsah nečistot jsou u litiny s kuličkovým grafitem podstatně vyšší, než u ostatních druhů litin.

Řada prvků (např. Sb, Ti a další), které jsou někdy do GJL přidávány záměrně, mají u GJS velmi škodlivý účinek.

2.4.11. Dusík

Dusík do obsahu asi 0,02 % N. Vyskytuje se jako vázaný nebo volný (působí perlititvorně) zjemňuje grafit a tím příznivě ovlivňuje mechanické vlastnosti. Při vyšším

obsahu však podporuje vznik nitridů a může být příčinou bodlinatosti odlitku. Dusík bývá přítomen v kovových surovinách (zejména v ocelové složce vsázky) a legurách.

2.4.12. Kyslík

Kyslík má velkou afinitu k ostatním prvkům, v litinách bývá rozpuštěn do obsahu kolem 0,01 %. Kyslík je nezbytný pro tvorbu oxidických zárodků, může být buď volný nebo vázaný. Jeho obsah a tedy i sklon litiny ke grafitizaci jsou do značné míry závislé na způsobu tavení. Z tohoto důvodu mívají litiny tavené v kuplovnách obvykle lepší grafitizační schopnost než při tavení v indukčních pecích.

2.4.13. Vodík

Vodík - jeho vliv na strukturu se nepovažuje za významný. Poněkud snad podporuje vznik hrubého grafitu a zvyšuje dispersitu perlitu. Při vyšším obsahu podporuje vznik pórovitosti litiny. [2]

2.5. OČKOVADLA

Očkovadla jsou látky, které zabezpečují očkování. Očkováním se rozumí vnášení látek do roztavené litiny, kde způsobují vznik heterogenních zárodků pro krystalizaci grafitu. Výsledkem očkování je jemné a pravidelné vylučování grafitu i dosažení homogenity struktury a vlastností litiny, současně je potlačován vznik zákalky (vylučování bílé litiny v tenkých stěnách odlitku). Očkovadla se do taveniny přidávají těsně před odléváním, neboť jejich účinek je časově omezený.

Očkovadlo musí splňovat tyto podmínky:

a) snadná rozpustnost v roztavené litině

b) zajistit rozptýlení očkovadla v roztavené litině c) zvyšovat aktivitu uhlíku v litině

2.5.1. Očkovadla na bázi křemíku

Nejpoužívanější je ferosilicium (65 až 75 %, Si; 1 až 2 % Al a 0,2 až 1,0 Ca).

Malá přítomnost Al a Ca podporuje očkovací účinek (příliš vysoký obsah Al podporuje vznik bodlin, vysoký obsah Ca způsobuje v odlitku struskovité vměstky). Pro očkování je výhodné, aby ferosilicium obsahovalo ještě další výhodné prvky (baryum, zirkonium, mangan, cer). Pak je očkovadlo označováno jako komplexní očkovadlo na bázi ferosilicia, obsahuje 0,5 až 1,0 % Cr; 1 až 6 % Ba, 1 až 6 % Zr; 10 % Mn; 0,5 až 1,0 Ce.

2.5.2. Očkovadla na bázi uhlíku

Obsahují cca 30 % krystalického uhlíku a asi 40 až 50 % křemíku.

Toto očkovadlo se nehodí pro výrobu LKG, tj. litiny s nízkým obsahem síry. Uhlíkatá očkovadla se dobře rozpouští při vyšší teplotě, proto se očkuje při cca 1400 °C (do pánve se přidává množství očkovadla 0,3 až 0,6 hmot % taveniny).

2.5.3. Očkovadla na bázi karbidu křemíku

Používají se v poslední době. Díky vysoké teplotě tavení 1700 °C se v roztavené litině netaví, ale postupně rozpouští (jsou lehčí než tavenina problematické mísení).

Vykazují dlouhodobý očkovací účinek, dávkování je 0,5 hmot. % taveniny.

2.6. VÝPOČET MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ

ŠEDÉ LITINY

Pro vyhodnocení mechanických vlastností šedé litiny se používají matematické vztahy mezi chemickým složením a základními mechanickými vlastnostmi.

Byly proto sestaveny matematické rovnice pro výpočet pevnosti v tahu, tvrdosti a modulu pružnosti u vzorků litých v provozních podmínkách.

Rm = 678,7 - 124,7 % C - 55,2 % Si + 160,4 % Mn - 58,1 % P + 128 % S + 26,2 (1) kde: Rm – mez pevnosti v tahu [MPa]

(odvozeno pro očkovanou šedou litinu tavenou v kuplovně )

HB = 385,47 - 51,32 % C - 21,29 % Si + 39,89 % Mn - 62,97 % P + 279,63 % S ± 12,5 (2) kde: HB – tvrdost podle Brinella

(odvozeno pro očkovanou šedou litinu tavenou v kuplovně ) [6]

Výše uvedené vzorce platí pro průměr odlévaného vzorku 30 mm. Pevnost v tahu lze také určit v závislosti na SE litiny (stupeň eutektičnosti)

Rm= 1000 – 809 SE pro Ø 30 mm, jakostní šedá litina

Tvrdost můžeme vypočítat na základě zjištěné pevnosti v tahu:

HB = 100 + 0,438 *Rm při Rm >196 MPa (3) HB = 44 + 0,724 *Rm při Rm <196 MPa [2] (4)

nebo při použití SE litiny do vzorce

HB = 100 + 4,3 / 102 – 82,5 SE / (5)

pro jakostní litinu

HB = 100 + 4,3 / 102 – 80 SE / (6)

Teoreticky vypočtené hodnoty mechanických vlastností srovnáme se skutečnými hodnotami a obdržíme tzv. “ stupeň zralosti “ a “ relativní tvrdost “ odlité litiny

Stupeň zralosti RG:

100

* RG

VYP SK

Rm

= Rm =

SE

Rm

* 809

1000− (7)

a obdobně stanovíme relativní tvrdost RH :

VYP SK

HB

RH = HB =

Rm HB

* 438 , 0

100+ (8)

RH

Qi = RG (9)

kde Qi – index jakosti [3]

2.7. ZKOUŠENÍ

2.7.1. Kontrola chemického složení

Pro provozní kontrolu se chemická analýza provádí převážně spektrálními metodami. Zkušební vzorky mívají tvar tablet (penízků), jejichž průměr odpovídá požadavkům spektrometru. Tloušťka vzorků je taková, aby vznikla požadovaná struktura litiny. Pro emisní spektrometry se obvykle vyžaduje, aby vzorek ztuhl bíle bez vyloučeného grafitu a měl homogenní jemnozrnnou strukturu. Proto mají vzorky malou tloušťku přibližně do 5 mm a odlévají se do kovových, nejčastěji měděných, kokil.

Obsah uhlíku a síry se často zjišťuje metodou spalováni vzorku v proudu kyslíku (přístroje LECO), která pro tyto prvky dává přesnější výsledky. Tomu odpovídají i větší tloušťky vzorků.

Spektrální analýza LECO může stanovovat až 24 prvků v železné nebo neželezné matrici. Pomocí technologie doutnavého výboje má proti jiným budicím zdrojům významnou přednost z hlediska linearity kalibračních křivek a stability výsledků.

Princip doutnavého výboje spočívá v kontrolovaném odprašování povrchu vzorku.

Z toho pak vyplývá i stabilní a rovnoměrné buzení odprašovaného materiálu. K buzení dochází v geometricky jasně definované zóně podle jednoznačných fyzikálních zákonitostí.

Za stejných analytických podmínek je možno analyzovat např. tepelně zpracované vzorky nebo nitridované materiály a výchozí nezpracované materiály. Metalurgická historie vzorku při tom nehraje žádnou roli.

Fyzikální vlastnosti, jako nízký počet částic a nízká teplota v prostoru výboje, zajišťují ostré spektrální čáry, nepatrnou samoabsorpci a minimální spektrální pozadí.

Při užívání v každodenním používání znamenají tyto vlastnosti potlačení nežádoucích vedlejších jevů, jako je např. překrývání spektrálních čar rušícími čarami, což při vysokých podílech legujících prvků vede k chybným výsledkům nebo samoabsorpční jevy, které poškozují chování spektrálních čar, takže je nutno používat jiné čáry nebo jiné kalibrační křivky, nebo vysoké spektrální pozadí, které nutí uživatele stále měnit rozsahy kalibrace a použité programy, aby dosahoval rozumných výsledků.

Přístroj LECO se skládá ze tří hlavních částí: budicího zdroje, optického systému s detekcí záření jednotlivých prvků a s obslužného a vyhodnocovacího systému k ovládání přístroje pomocí počítače.

Obr. 2: Spektrální přístroj LECO

Optická část provádí rozdělení dopadajícího světelného paprsku na jednotlivé jeho spektrální složky. Zde je světlo doslova rozloženo a každá vlnová délka odpovídá jednomu prvku. O to se stará optická konkávní reflexní mřížka. Nežádoucí složky světla odcloní na kruhovém úseku uspořádané sekundární štěrbiny. Za štěrbinami se nacházejí na optické ose fotodetektory, které měří intenzitu jednotlivých vlnových délek. Jedná se o tzv. fotonásobiče, označované dnes běžně zkratkou PMT.

Naměřený proud může být podle potřeby různě zesílen. O to se stará fotonásobičům přizpůsobená elektronika.

Nejdůležitějšími částmi spektrometru s doutnavým výbojem je světelný a plazmový budicí zdroj a vlastní spektrometr, který obsahuje optickou část.

Budicí zdroj nabízí možnost analyzovat libovolný druh plochých vzorků o minimálním průměru cca 2,5 mm. Proti válcové anodě se nachází plochý vzorek, který je od laboratorní atmosféry utěsněn O-kroužkem. Anoda je od vzorku elektricky izolována. Mezi katodovou desku - na níž spočívá vzorek - a anodou je vloženo elektrické stejnosměrné napětí, které v prostředí nízkého tlaku plynu uvnitř anodového prostoru vede ke vzniku výboje ve zředěném plynu v prostoru u povrchu vzorku. Výboj v plynu

Protože k výboji dochází ve zředěném plynu a výboj má určité elektrické vlastnosti, mluví se o doutnavém výboji. V důsledku záporného potenciálu vzorku jsou kladné ionty argonu urychlovány k jeho povrchu a vzorek "po vrstvách" odbourávají.

Uvolněné (odprášené) atomy vzorku se dostávají do výbojové zóny, kde dochází k jejich srážkám s energeticky bohatými elektrony. Předaná energie vede k vysílání charakteristického světla vybuzené částice vzorku. Toto světlo jednoznačně určuje svého původce: atom železa jako železo, částici mědi jako měď, atd. V optické části spektrometru je všechno emitované světlo rozloženo na základní podíly neboli spektrální složky. Na základě dlouholetých výzkumných a vývojových prací LECO ví, které spektrální čáry jsou pro stanovení kterých prvků nejvhodnější. Odclonění zbývajících spektrálních podílů se děje maskou (výstupními štěrbinami).

K rozkladu spektra používá LECO konkávní, holografickou reflexní mřížku s počtem 2400 čar/mm. Optické uspořádání, kde jsou vstupní štěrbina, mřížka a výstupní štěrbiny uspořádány na kružnici, což ušetří další optické prvky (čočky, clony ...), je nazýváno podle autorů Rowlandovo a Paschen-Rungeho. Průměr Rowlandovy kružnice se označuje jako fokální vzdálenost činí 400 mm. Za výstupními štěrbinami jsou umístěny optické detekční systémy (PMT), které měří intenzity záření jednotlivých prvků.

Spektrometrie s doutnavým výbojem umožňuje měření téměř všech prvků periodického systému od vodíku po uran.

2.7.2. Mechanické zkoušky

Mechanické zkoušky se rozdělují podle různých hledisek:

I. Podle charakteru zatěžování a) statické b) dynamické II. Podle zjišťované vlastnosti či souborů vlastností

a) zkoušky pevnostních vlastností b) zkoušky tvrdosti

c) zkoušky únavy

III. Podle druhu namáhání a) zkoušky tahové b) zkoušky tlakové

c) zkoušky ohybu

2.7.2.1. Statické zkoušky

Hodnotí chování materiálu za působení stálých nebo pomalu spojitě se měnících sil. Zkušební těleso se zatěžuje zpravidla jen jednou, a to až do porušení. Podle druhu namáhání jde o zkoušku tahem, tlakem, ohybem, krutem nebo střihem.

2.7.2.2. Zkouška tahem

Zkouška tahem musí být vykonána v souladu s požadavky EN 10002-1 za použiti zkušební tyče odpovídající buď obr. č. 3 nebo obr. č. 4. Hlavy zkušebních tyčí mohou být buď se závitem, nebo hladké podle použitých čelistí zkušebního stroje.

Obr.3:. Zkušební tyč A: a) se závitem, b) hladké.

. Obr. 4: Zkušební tyč B: a) se závitem, b) hladké

Pozn.: Pro tentýž materiál mohou být výsledky zkoušky na zkušební tyči A mírně vyšší než na zkušební tyči B [9]

d0 – průměr válcové zkušební tyče

Prodloužení tyče: ∆L = L – L0 (10)

Poměrné prodloužení: − ⁰ ⋅100

( )

= L

L

ε L (11)

L – je měřená délka tyče v daném okamžiku zatěžování

Smluvní napětí:

[

]

S R F

0

= (12)

ε

σ = E⋅ (13)

Re – mez kluzu

Rp–smluvní mez kluzu – odpovídá trvalé deformaci 0,2% z délky L0

Ra – mez úměrnosti Rm – mez pevnosti Rhe – horní mez kluzu Rde – dolní mez kluzu E – modul pružnosti

α tg

E = (14)

Obr. 5: Pracovní diagram zkoušky tahem měkké uhlíkové oceli

Počáteční přímkový úsek přísluší pružné deformaci a vyjadřuje úměrnost napětí a deformace podle Hookova zákona.

Další část diagramu až do přetržení tyče (bod U) souvisí s plastickou deformací a deformačním zpevňováním.

Tažnost: 100

( )

0 0 ⋅

= − L

L

A L^U (15)

LU – konečná délka zkušební tyče po přetržení

- poměr prodloužení měřené délky tyče po přetržení k počáteční měřené délce vyjádřený v %.

Kontrakce (poměrné zúžení): 100

( )

0

0 − ⋅

= S

S

Z S ^U (16)

SU – nejmenší plocha příčného průřezu zkušební tyče po přetržení S0 – původní průřez zkušební tyče

- poměr rozdílu počátečního a nejmenšího průřezu zkušební tyče po přetržení k počátečnímu průřezu vyjádřený v %.

Princip statické zkoušky tahem

Tyč s původní délkou L0 a průřezem S0

zatěžujeme statickou silou F. Vnější síla vyvolá

napětí ^SO R = F

. Jde o domluvené napětí, protože

skutečné napětí je ^S

= F

σ , kde S je skutečný průřez tyče. Při větším zatížení se u tvárných materiálů zkušební tyč zužuje S < S0, proto σ > R.

Sila F vyvolá prodloužení ∆L. V průběhu zkoušky se automaticky zaznamenává pracovní diagram ∆L – F. Po ukončení se měří LU – délka po přetržení, dU – průměr po přetržení a určí se SU – průřez po přetržení.

Obr. 6: Princip statické zkoušky tahem .

a) b)

Obr.7: Pracovní diagramy zkoušky tahem a) pro různé materiály, b) pro různé teploty.

Obr. 8: Pracovní diagramy zkoušky tahem A) s mezí kluzu, B) bez výrazné meze kluzu.

Obr. 9: Vliv tvaru zkušební tyče na pracovní diagramy zkoušky tahem měkké uhlíkové oceli.

Nepříznivou prostorovou napjatost vyvolávají místní koncentrace napětí např. vruby a náhlé změny tvaru. S rostoucím vrubovým účinkem se mění tvar pracovního diagramu zkoušky tahem, zvětšuje se mez kluzu a pevnost a zmenšuje se tažnost. Ke křehkému porušení bez větší plastické deformace přispívá i účinek vnitřních vad (vměstky, technologické vady), nevhodný tvar dílce, náhle změny zatížení, nízké pracovní teploty, teplotní gradienty a další činitele.

2.7.2.3. Zkoušky tvrdosti

Tvrdost – odpor proti vnikání cizího tělesa do povrchu zkoušeného materiálu.

Posuzujeme ji podle velikosti stopy, která vznikla vtlačováním tělesa vhodného tvaru (kulička, kužel, jehlan) a z dostatečně tvrdého materiálu (kalená ocel, slinutý karbid, diamant) do zkoušeného vzorku určitou silou za definovaných podmínek.

Zkoušky tvrdosti se člení na: a) statické - vrypové - vnikací

- odrazové

b) dynamické

Vnikací zkoušky tvrdosti - nejrozšířenější a nejvýznamnější

- zkoušky podle Brinella, Rockwella a Vickerse

Obr. 10: Tvary nejčastěji užívaných vnikacích těles a zjišťované rozměry vtisků při měření tvrdosti.

Metody: a) Brinellova, b) Rockwellova, c) Vickersova, d) Knoopova.

Pro měření tvrdosti u litinových odlitku se používá Brinellova metoda měření tvrdosti.

Do zkoušeného materiálu se zatlačuje určitou silou F ocelová kalená kulička o průměru D = 10; 5; 2,5; 2 a 1 mm.

do tvrdosti 400 HB - kalené ocelové kuličky nad 400 HB - kuličky ze slinutých karbidů

Obr.11: Schéma zkoušky tvrdosti podle Brinella.

A HB 0,102F

=

-

(

(

)

2D D D d

A ⋅ − −

=π

(18)

kde F - zátěžná síla (N) A - plocha vtisku (mm2) D - průměr kuličky (mm) d - průměr vtisku (mm)

Zatížení se volí jako násobek čtverce průměru kuličky

:

D2

K

F = ⋅

kde K – konstanta (K = 30 pro ocel, K = 10 pro neželezné kovy a slitiny,

K = 2,5 pro měkké neželezné kovy a kompozice)

Doba zatěžování za normálních podmínek (D = 10 mm, F = 3000 KN):

- u ocelí a litin 10 ÷ 15 s,

- u neželezných kovů 10 ÷ 180 s (podle měřeného materiálu)

Jiné podmínky zkoušky označíme: HB / průměr D (mm) / F (N) /doba zatěžování (s) např.: 280 HB 5 / 750 / 20.

Z výsledků zkoušky tvrdosti je možno určit informativně pevnost v tahu:

HB k

R_m = ⋅ (20)

kde k = 3,1 ÷ 4,1 pro ocel (uhlíková ocel k ^≈ 3,6; chromniklová ocel k ^≈ 3,4 )

k = 2,3 pro litý bronz k = 2,6 pro hliník [4]

3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST PRÁCE

Tato práce se zabývá přípravou kovové vsázky (jejího chemického složení ) vzhledem k rostoucím cenám surovin a požadavkům kladeným na výsledné mechanické vlastnosti litiny s lupínkovým grafitem.

3.1. TAVÍCÍ ZAŘÍZENÍ A VSÁZKOVÝ MATERIÁL

Tavenina byla připravována ve slévárně ČŽS, a. s., Liberec. Tavícím zařízením byla šachtová pec (kuplovna) o průměru 1000mm s plynovým předpecím a kyselou vyzdívkou o celkovém výkonu 8t/hod litiny na žlábku. Tato pec je studenovětrná s vnitřní injektáží kyslíku, vyrobená ve firmě ŠKODA Klatovy v roce 1999.

Pro vyzdívku byly použity šamotové cihly dodané firmou PRŮMYSLOVÁ KERAMIKA Rájec – Jestřebí a pro vymazání a pro opravy vyzdívky se používá vymazávací hmota dodaná firmou ŽÁROHMOTY Třemošná.

Suroviny použité pro vsázku byly různé s ohledem na požadované mechanické vlastnosti. Základem však byl ocelový šrot, vrat, zlomky, ocelárenské nebo slévárenské železo a koks. Pro zvýšení obsahu křemíku v tavenině bylo použito ferosilicium 65%

(FeSi 65).

Obr. 12: Kuplovna s předpecím ve slévárně ČŽS, a. s., Liberec

3.2. TECHNICKO - METALURGICKÉ ÚDAJE

1) TAVÍCÍ AGREGÁT : kupolní pec (kuplovna) + plyn. předpecí

2) ÚPRAVA TEKUTÉHO KOVU: očkování do proudu kovu optimální množství 3) ZPŮSOB KONTROLY A EVIDENCE KVALITY TEKUTÉHO KOVU: dle TPO

č.04/131 -04

a) měření T taveniny (četnost) - pro zajištění předepsaných licích teplot, při odběru vzorku na atest u plynového předpecí se zápisem na lístek odesílaný do laboratoře b) klínová zkouška - zákalka /mm/ při plnění transportní pánve u plynového předpecí c) chemická analýza taveniny, četnost viz. předchozí bod - hodnoty zjišťuje a eviduje

chemická laboratoř.

d) zkoušky vlastností litiny na odděleně litých tyčích Ø 30 mm - pevnost v tahu:

1 x za tavbu, tvrdost: 1 x za tavbu, mikrostruktura - namátkově, řídí metalurg.

Tyto hodnoty zjišťuje a eviduje metalurg.

e) měření tvrdosti na odlitcích - 2 z tavby

3.3. PŘÍPRAVA A ODEBÍRÁNÍ VZORKŮ

Používají se dva způsoby odběru vzorků:

- přímo z proudu taveniny ze žlábku do pánve - tzv. ostrá zkouška, slouží k určení jakosti natavené litiny a povolení odlévání sortimentu - pro nejčastěji vyráběnou jakost dle ČSN 422425 musí být výška zákalky na klínku minimálně 10 mm pro zajištění požadovaných vlastností litiny po očkování taveniny. Ostrá zkouška se musí odebírat ráno po rozjezdu kuplovny, po přesazení vsázky a podle potřeby obsluhy předpecí, aby správně mohla posoudit vyráběnou jakost litiny

- z naplněné pánve po očkování a případném legování (hodnoty klínků musí odpovídat velikostem uvedeným v návodkách umístěných u plynového předpecí) pro jednotlivé jakosti litiny a druhy odlitků.

3.3.1. Klínová zkouška

Vzorek pro kontrolu klínovou zkouškou (jaderník SL 3126) odebírá:

a) tavič průběžně každou půlhodinu v odlučovači strusky, zápis hodnoty do tavičského výkazu;

b) obsluha plynového předpecí současně s odběrem vzorku na chemický rozbor, zápis hodnoty na lístek odesílaný se vzorkem na chemický rozbor do laboratoře, přeražené klínky se ukládají v průběhu dne na stolek pracovníka obsluhy. Pro zajištění průběžného sledování jakosti taveniny musí být klínová zkouška z pánve odebírána maximálně po 30 min. Mimo tyto odběry musí být odebírána tzv. ostrá zkouška (viz výše) pro posouzení jakosti litiny. Nestačí-li současné odběry se vzorkem na chemický rozbor, musí se odebírat samostatné klínové zkoušky pro dodržení časového limitu. (Pokud je kuplovna delší čas odstavená, časové limity se přiměřeně posouvají). Přeražené klínky bez chemického rozboru se ukládají na vedlejší stolek.

(Příští den se celá předešlá denní dávka odstraní.)

Tavič a obsluha plynového předpecí musí mít stálý přehled o kvalitě vytavené litiny.

3.3.2. Chemická analýza

Vzorek pro chemickou analýzu odebírá obsluha plynového předpecí do měděné kokilky současně s odběrem klínku. Po ochlazení se vzorek s lístkem, kde je uvedený odlévaný sortiment, hodnota klínku, příp. změřená teplota v pánvi a odlití trhacích tyčí

Ø 30 mm, odesílá do laboratoře k provedení rozboru.

Vzorek pro chemickou analýzu se odebírá u odlévaného sortimentu, kde je předepsán atest. Pokud jedou obě linky a často se mění sortiment, postačují většinou zkoušky odebírané pro atesty a ostré zkoušky k získání přehledu o složení litiny během směny. Pokud jede jen jedna linka a nebo několik hodin jeden sortiment, pro který se nevyžaduje víc rozborů na atest, musí obsluha předpecí odebrat vzorek na chemický rozbor častěji (bez nutnosti atestu), aby si udržela přehled o složení vyráběné litiny. V současné době se počet rozborů za směnu pohybuje kolem 16-20.

3.4. VÝROBA FOREM

Formy se ve Slévárně ČŽS, a. s., Liberec vyrábějí na formovací lince GZ se střásacím strojem s dolisováním a dělenou formovací hlavou o výkonu 120ks/směna a rozměrech rámu 1420x1100x400mm při rozměrech základní formovací desky 1360x1040mm. Pro přípravu jednotné formovací směsi se používá kolový mísič MK – 3. Směs se skládá z vratného písku, křemenného ostřiva O – 27, d50 =0,27 mm (dávkování je operativně upraveno dle výplavu, maximálně však do výše 2% z vratu), aktivovaného bentonitu a vody na předepsanou vlhkost 3,5 – 4,5%. Prodyšnost směsi je určena min.210 j.p.SI, pevností v tlaku 160 až 190 kPa a spěchovatelností 35 – 45%

Obr. 13: Formovací linka GZ

Obr. 14: Modelová deska

3.5. ROZDĚLĚNÍ VZORKŮ V EXPERIMENTU

Pro účely experimentu byly zpracovány vzorky odebrané ve Slévárně ČŽS, a. s., Liberec v období březen 2005 až březen 2006. Podle množství ocelového šrotu ve vsázce byly vzorky rozděleny do tří skupin. V každé skupině přibližně polovina vzorků obsahovala ocelárenské železo a druhá polovina slévárenské železo.

Obsah ocelového šrotu: Skupina I : 50 – 75 kg Skupina II: 75 – 100 kg Skupina III: 100 – 160 kg

4. VÝSLEDKY EXPERIMENTU

Cílem této práce bylo stanovení závislosti mechanických vlastností odlitků z litiny s lupínkovým grafitem na složení vsázky ve slévárně ČŽS, a.s., Liberec.

Byla provedena analýza chemického složení vsázky při různém poměru vsázkových surovin a stanovena pevnost v tahu a tvrdost HB na standardních tyčích ∅ 30 mm.

4.1. MECHANICKÉ VLASTNOSTI

Hodnocenými mechanickými vlastnostmi jsou mez pevnosti v tahu Rm a tvrdost podle Brinella HB na tyčích průměru 30 mm. Získané hodnoty jsou uspořádány do tabulek a grafů. Výsledkem zkoumání je porovnání naměřených a vypočtených hodnot.

Popis vzorků:

Ocelový šrot [kg]

do 75 75 – 100 100 - 160

Ocelárenské

železo Slévárenské

železo Ocelárenské

železo Slévárenské

železo Ocelárenské

železo Slévárenské železo

1A 1B 2A 2B 3A 3B

Rm HB Rm HB Rm HB Rm HB Rm HB Rm HB

Hodnoty u ocelového šrotu, vratu (vratného materiálu), ocelárenského nebo slévárenského železa, zlomků, FeSi 65 a FeMn jsou uvedeny v kilogramech [kg] na vsázku. Množství u chemických prvků (C, Mn, Si, P, S, Cr, Ni, Cu) jsou uvedeny v procentech [%].

Mez pevnosti v tahu Rm – naměřená hodnota [MPa]

RmVYP – vypočtená hodnota [MPa]

Tab. 1: 1A Vliv ocelárenského železa na Rm

Ocel.Srot Vrat Ocel zelezo Zlomky FeSi 65 FeMn C Mn Si P S Cr Ni Cu Rm Rmvyp

52,14 289,29 91,43 161,79 16,79 2,13 3,30 0,69 2,04 0,15 0,13 0,15 0,00 0,06 265,30 265,28

72,46 220,00 128,06 179,49 6,17 2,00 329,00 0,77 1,81 0,13 0,13 0,13 0,00 0,07 305,70 304,64

73,24 220,00 148,70 158,05 6,94 2,00 3,36 0,64 2,15 0,19 0,13 0,11 0,02 0,07 263,70 263,68

55,65 220,00 158,99 165,36 5,46 2,00 3,36 0,62 1,93 0,15 0,15 0,09 0,00 0,05 281,30 281,28

71,19 228,35 170,00 130,00 5,00 2,51 3,45 0,69 1,90 0,13 0,11 0,08 0,00 0,08 259,80 259,78

68,56 249,71 141,84 140,00 7,51 3,17 3,50 0,57 1,74 0,14 0,13 0,08 0,00 0,06 286,20 286,18

Rm=0,12C-101,98Mn-41,37Si+0P+376,86S+53,89Cr+0Ni+0Cu+362,57 Korelační koeficient 1

Tab. 2: 1B Vliv ocelárenského železa na HB

Ocel.Srot Vrat Ocel zelezo Zlomky FeSi 65 FeMn C Mn Si P S Cr Ni Cu HB HBvyp

52,14 289,29 91,43 161,79 16,79 2,13 3,30 0,69 2,04 0,15 0,13 0,15 0,00 0,06 217,00 217,02

72,46 220,00 128,06 179,49 6,17 2,00 329,00 0,77 1,81 0,13 0,13 0,13 0,00 0,07 235,00 236,46

73,24 220,00 148,70 158,05 6,94 2,00 3,36 0,64 2,15 0,19 0,13 0,11 0,02 0,07 207,00 207,02

55,65 220,00 158,99 165,36 5,46 2,00 3,36 0,62 1,93 0,15 0,15 0,09 0,00 0,05 197,00 197,02

71,19 228,35 170,00 130,00 5,00 2,51 3,45 0,69 1,90 0,13 0,11 0,08 0,00 0,08 217,00 217,02

68,56 249,71 141,84 140,00 7,51 3,17 3,50 0,57 1,74 0,14 0,13 0,08 0,00 0,06 217,00 217,02

HB=0,07C-68,48Mn-31,00Si+0P-659,05S+250,44Cr+0Ni+0Cu+375,39 Korelační koeficient 1