TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

1

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta strojní

Studijní program M2301 - Strojní inženýrství

Strojírenská technologie zaměření strojírenská metalurgie

Katedra strojírenské technologie Oddělení strojírenské metalurgie

Vliv parametrů očkování litin na kvalitu odlitků

Cast iron inoculation specification and its impact on casting quality

Martin Pelc KSP – SM – 552

Vedoucí diplomové práce: prof. Ing. Iva Nová, CSc. - TU v Liberci

Konzultant diplomové práce: Ing. Zdeněk Hošek - Škoda Auto, Mladá Boleslav

Rozsah práce a příloh:

Počet stran 85 Počet tabulek 29 Počet příloh 4

Počet obrázků 61 Datum: 5. 1. 2010

2

3

ANOTACE

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní

Katedra strojírenské technologie Oddělení strojírenské metalurgie Studijní program: M2301 – Strojní inženýrství

Diplomant: Martin Pelc

Téma práce: Vliv parametrů očkování litin na kvalitu odlitků

Cast iron inoculation specification and its impact on casting quality

Číslo DP: KSP – SM – 552

Vedoucí DP: prof. Ing. Iva Nová, CSc. - TU v Liberci

Konzultant: Ing. Zdeněk Hošek - Škoda Auto, Mladá Boleslav

Abstrakt: Diplomová práce shrnuje v rešeršní části výrobu a metalurgii grafitických litin a charakteristiku slévárny společnosti ŠKODA AUTO a.s. Mladá Boleslav. Experimentální část je zaměřena na sledování rozdílů kvality vyrobených odlitků z litiny s lupínkovým grafitem v závislosti na typu množství očkovadla.

Abstract: In the thesis the theory of production and metallurgy of graphite iron is presented, followed by a description of the Škoda Auto foundry in Mladá Boleslav. Own research work includes study of quality of flake graphite iron castings as a function of inoculant type and quantity.

4 MÍSTOPŘÍSEŽNÉ PROHLÁŠENÍ

Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury.

V Liberci, 5. ledna 2010

……….

Martin Pelc 17. listopadu 1188 293 01 Mladá Boleslav

5 PODĚKOVÁNÍ

Tímto bych chtěl poděkovat všem, kdo se podílel na vzniku této diplomové práce.

Zvláštní poděkování patří prof. Ing. Ivě Nové, CSc. a Ing. Zdeňku Hoškovi za poskytnuté materiály informace a věnovaný čas. Dále panu Šťastnému a panu Dorotíkovi, zaměstnancům společnosti ŠKODA AUTO a.s. Mladá Boleslav, za praktickou pomoc při experimentálních pracích.

6 OBSAH

Seznam použitých značek a symbolů 8

1. ÚVOD 10

2. REŠERŠNÍ ČÁST PRÁCE 11

2.1 Charakteristika grafitických litin 11

2.1.1 Základní rozdělení litin podle tvaru vyloučeného grafitu 11

2.1.2 Modifikace litiny a její způsoby 14

2.1.3 Očkování 15

2.1.3.1 Způsoby očkování 15

2.1.3.2 Rozdělení očkovadel podle složení 18

2.1.4 Zařízení k tavení litin 20

2.2 Charakteristika slévárny litiny ve Škoda Auto 25

2.2.1 Sortiment výroby 25

2.2.2 Provoz slévárny 26

2.2.2.1 Tavírna 26

2.2.2.2 Formovna 33

2.2.2.3 Čistírna 34

2.2.2.4 Pískovna 34

3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST PRÁCE 36

3.1 Charakteristika slévárenské formy 36

3.2 Příprava taveniny 37

3.3 Vyhodnocování vlastností odlitků 40

3.3.1 Chemická analýza prvků C a S spalitelnou metodou 40

3.3.2 Zkouška tvrdosti podle Brinella 43

3.3.2.1 Technické údaje o přístroji ke zkoušce tvrdosti 45

3.3.2.2 Zápis hodnot zkoušky podle Brinella 45

3.3.3 Zkouška pevnosti mezi klíny 49

3.3.3.1 Technické údaje o přístroji ke zkoušce mezi klíny 50 3.3.3.2 Vypočítané hodnoty ze zkoušky mezi klíny 51 3.3.4 Metalografické hodnocení zkušebních odlitků 53

3.3.5 Hodnocení velikosti zákalky 74

4. DISKUZE VÝSLEDKŮ 79

5. ZÁVĚR 82

7

6. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 84

7. PŘÍLOHY 85

8

SEZNAM POUŽITÝCH ZNAČEK A SYMBOLŮ

Al hliník

Ba baryum

C uhlík

Ca vápník

Ce cér

D průměr [mm]

D průměr šachty v oblasti dmyšen [m]

δ hloubka vniku [mm]

f frekvence [Hz]

FeCr ferochrom FeMn feromangan

Fmax nejvyšší zatížení [N]

G průměrná hmotnost lití na formu [kg]

GJL(LLG) litina s lupínkovým grafitem GJS(LKG) litina s kuličkovým grafitem GJV(LČG) litina s červíčkovým grafitem HBW hodnota tvrdosti podle Brinella [-]

I indukovaný proud [A]

K měrná spotřeba koksu kokové vsázky [%]

k obsah uhlíku v koksu [%]

KZV kovy vzácných zemin

Mn mangan

ηSPAL součinitel spalování

p požadované procento Inoculinu [%]

P přenášený výkon [W]

Phod tavící výkon kuplovny [t·hod^-1] Pig-P1 slévárenské surové železo

Q množství vzduchu foukaného do kuplovny [N· m^-3 ·min^-1] R elektrický odpor [Ω]

R průtok očkovadla [g·s^-1] R_K pevnost mezi klíny [MPa]

9 R_m pevnost v tahu [MPa]

ρ měrný elektrický odpor [Ω·mm²·m^-1]

Si křemík

SiC karbid křemíku

So počáteční průřez zkoušeného tělesa [mm²]

Sr stroncium

t průměrný čas lití [s]

Ti titan

Zn zinek

10 1. ÚVOD

Zadání diplomové práce je na téma: Vliv parametrů očkovaní na kvalitu odlitků.

Diplomová práce se skládá z rešeršní a experimentální části.

V rešeršní části diplomové práce je provedena charakteristika grafitických litin a jejich základní rozdělení. Dále jsou zde popsány procesy očkování, modifikace a způsoby jejich provedení. V další části jsou uvedeny zařízení k tavení litin.

V závěru rešeršní části je pojednáno o slévárně litiny ve společnosti ŠKODA AUTO a.s. Mladá Boleslav (dále jen "Škoda Auto") jsou zde detailněji popsány produkty (odlitky) a způsob jejich výroby.

O výzkumu vlivu parametru očkování na kvalitu odlitku z litiny s lupínkovým grafitem pojednává experimentální část této diplomové práce. Celá experimentální část byla realizována ve slévárně Škoda Auto v Mladé Boleslavi. Předmětem zkoumání byl odlitek jednoduchého tvaru s proměnlivou tloušťkou. Nejdříve byl vytvořen model, který byl následně zaformován a odlit z litiny s lupínkovým grafitem v počtu 10 kusů. Na těchto odlitcích byla provedena chemická analýza prvků C a S spalitelnou metodou, zkouška tvrdosti, zkouška mezi klíny, metalografické hodnocení a hodnocení zákalky.

Cílem práce bylo porovnat změnu výše uvedených vlastností litiny v závislosti na typu a množství přidaného očkovadla. Toto srovnání interpretuje závěr této práce.

11

2. REŠERŠNÍ ČÁST PRÁCE

2.1 Charakteristika grafitických litin [1], [2]

Litina je slitina železa s uhlíkem a dalšími prvky jako např. křemík, mangan, fosfor a síra. Obsah uhlíku v litině je vyšší, než je maximální rozpustnost uhlíku v austenitu při eutektické teplotě. Ostatní prvky ovlivňují jak mechanické vlastnosti, tak i výslednou strukturu.

Litina se vyrábí přetavováním surového železa, šrotu a vratného materiálu ve slévárenských pecích. Výrobek z litiny se nazývá odlitek.

Při tuhnutí litiny dochází ke krystalizaci, která může probíhat jak ve stabilní, tak i v metastabilní soustavě. Podle podmínek tuhnutí, chemického složení taveniny a způsobu tepelného zpracování vzniká buď cementitové nebo grafitické eutektikum.

Krystalizací podle stabilní soustavy za vzniku grafitu vzniká grafitická litina.

Rychlejší krystalizací, která probíhá v metastabilní soustavě při vzniku cementitu, je podmíněn vznik bílé litiny.

2.1.1 Základní rozdělení litin podle tvaru vyloučeného grafitu [1], [2]

Litina s lupínkovým grafitem - GJL (LLG) se dříve nazývala šedá litina a je nejčastěji vyráběným typem litiny.

Grafit má na metalografickém výbrusu tvar lupínků. Konce lupínků jsou ostré a šířka v porovnání s délkou je malá. Mechanické vlastnosti závisí na základní kovové hmotě, velikosti a rozloženi grafitu.

Vyžadujeme-li vyšší mechanické vlastnosti, musí být základní kovová hmota perlitická. Je-li základní kovová matrice feritická, dochází ke snížení pevnosti v tahu a klesá tvrdost litiny. Nepříznivě působí i volný cementit, který zvyšuje tvrdost,

12

křehkost a zároveň snižuje obrobitelnost. Pevnost v tlaku – R_D je až 4 krát větší než pevnost v tahu - R_m, která se pohybuje od 100 až do 350 MPa.

Litina s lupínkovým grafitem je křehká, nemá tažnost, a proto nemá také mez kluzu.

Velmi málo odolává vůči působení kyselin, ale zato lépe odolává hydroxidům.

Hlavní předností této litiny je velká schopnost útlumu vibrací.

Litina s červíkovým grafitem – GJV (LLČ) se dříve nazývala litina vermikulární.

Červíkový grafit je tvarem podobný lupínkovému grafitu. Šířka v porovnání s délkou je velká a konce bývají zaoblené. V litině s červíkovým grafitem se obvykle nachází i určité množství kuličkového nebo lupínkového grafitu.

Mechanickými a fyzikálními vlastnostmi leží litina s červíkovým grafitem mezi litinou s lupínkovým grafitem a litinou s kuličkovým grafitem. Mechanické vlastnosti se blíží vlastnostem litiny s kuličkovým grafitem a fyzikální jsou zase blíže k litině s lupínkovým grafitem.

Litina s červíkovým grafitem se hodí pro dynamicky namáhané součásti a celkem slušně odolává i tepelnému namáhání. Předností této litiny je lepší zabíhavost s nižším sklonem k tvorbě staženin a vysoká tepelná vodivost. K získání litiny s červíkovým grafitem musíme provádět modifikaci taveniny.

Modifikace taveniny se provádí nejčastěji třemi způsoby:

a) nedokonalou modifikací použitím malého množství globulizačních prvků (Mg,Ce) než při výrobě litiny s kuličkovým grafitem. Tím dosáhneme nedokonalé globulizace a nepravidelného rozložení grafitu,

b) současnou kombinací globulizačních prvku (Mg, Ce) a antiglobuličačních prvků (Ti, Al),

c) nebo modifikací směsným kovem.

13

Litina s kuličkovým grafitem - GJS (LKG) se dříve označovala jako litina tvárná, grafit je zde obsažen ve formě kuliček. Tvar kuličky dosáhneme vhodnou modifikací litiny. Modifikační prvky jsou Mg, Ce a kovy vzácných zemin. U litiny s kuličkovým grafitem je kovová hmota tvořená buď perlitem, nebo feritem. Litina s perlitickou matricí má vysokou pevnost v tahu Rm což je 500 až 600 MPa při tažnosti A 3 až 5%. Je-li matrice feritická, klesne hodnota pevnosti v tahu Rm , ale zároveň dojde ke zvýšení tažnosti.

Tato litina je vhodná jako konstrukční materiál s vrubovou houževnatostí 4 až 10 krát větší než má litina s lupínkovým grafitem. Zároveň má dobré slévárenské vlastnosti a mechanické vlastnosti se blíží vlastnostem uhlíkových ocelí na odlitky. Zvýšení mechanických vlastností lze docílit například izotermickým kalením na bainitickou strukturu.

Temperovaná litina – GJM (TL) je speciální druh grafitických litin a vyrábí se tepelným zpracováním bílé litiny.

Grafit v této litině je vyloučen v podobě kompaktních vloček. Tento tvar grafitu zhoršuje pevnost a tažnost litiny, přesto má dobré útlumové vlastnosti. Dnes je tento typ vytlačován litinou s červíkovitým grafitem.

Podle tepelného zpracování (temperování) se výsledné struktury temperované litiny dělí následovně:

a) litina s bílým lomem (GJMW) vznikající žíháním v oduhličující atmosféře a výsledná struktura je podle doby a teploty převážně perlitická. Použití je vhodné v místech, kde jsou součásti vystaveny působení koroze.

b) litinu s černým lomem (GJMB) vznikající žíháním v neutrální atmosféře a podle tepelného zpracování je výsledná struktura feritická až perlitická.

Některé mechanické vlastnosti zde popsaných litin jsou uvedeny v tabulce 2.1.

14

Tabulka 2.1 Srovnání vybraných mechanických vlastností litin [1], [2]

Vlastnost Značka Rozměr GJL GJV GJS

Pevnosti v tahu Rm [MPa] 100-350 300-400 350-900 Pevnost v tlaku R_d [MPa] 600-1080 500-1200 700-1150

Tažnost A5min [%] < 1 3-6 2-22

Tvrdost HB [-] 180-270 130-280 160-360

2.1.2 Modifikace litiny a její způsoby [1], [2]

Modifikace se provádí u litin s cílem vyloučení grafitu v podobě kuliček nebo červíků. K tomuto účelu se používají modifikátory, což jsou povrchově aktivní látky s modifikačním účinkem. V současné době se jako modifikátor používá čistý hutnický hořčík. Při modifikaci dochází k rozpouštění hořčíkových par, které probublávají taveninu. Modifikace se neprovádí u litiny s lupínkovým grafitem.

Nejčastěji se pro modifikaci litiny s kuličkovým grafitem používají tyto metody:

Metoda sandwich - v otevřené pánvi je na dně komůrka, do kterého se umísťuje modifikátor a očkovadlo. Po vložení se to přikryje ocelovým plechem, který se po nalití kovu roztaví a dojde k reakci.

Metoda polévací - v otevřené pánvi je slitina Mg položena na dně pánve a následně zalita kovem.

Metoda tundish - je vylepšená sandwich metoda, kdy je pánev po vložení slitiny Mg zakryta víkem s otvorem. Víko brání rozstřiku a omezuje přístup vzduchu.

Metoda plněným profilem - modifikátor je obalen kovovým obalem v podobě drátu a je podáván do pánve.

Metoda inmold - modifikace probíhá uvnitř formy ve speciální modifikační komůrce.

Ta je součástí vtokové soustavy, přes kterou proudí roztavený kov.

15

Metoda konvektorová - v konvektoru je komůrka s modifikátorem uložena tak, že při nalévání se nachází mimo dosah taveniny. K reakci dojde až po sklopení konvertoru.

Metoda modifikace ponorným zvonem - při této metodě je použita pánev s víkem, kterým prochází grafitová tyč s děrovaným zvonem nejčastěji z grafitu. Uvnitř zvonu je připevněn tenký plech, ve kterém je zabalen Mg.

2.1.3 Očkování [1], [2], [4]

Očkování je vnášení takových látek do roztavené litiny, které pomáhají ke vzniku heterogenních zárodků pro krystalizaci grafitu.

Cílem očkování je rovnoměrné vyloučení grafitu s dosažením homogenní struktury, zároveň je potlačen vznik zákalky. Očkovadla mají omezený účinek, proto se přidávají do taveniny těsně před odlitím. Rychlost odeznívání je závislá na teplotě litiny, složení očkovadla a množství očkovadla. Účinnost očkovadla odeznívá s časem zpravidla do 10 až 15 minut po naočkování. Stejný stav jako před očkováním dosáhneme po 20 až 30 minutách, při použití běžných očkovadel.

Aby bylo dosaženo požadovaných vlastností odlitku, musí očkovadlo splňovat následující základní vlastnosti:

a) musí být snadno rozpustné v roztavené litině, b) musí být dobře rozptýlitelné v roztavené litině, c) musí zvyšovat aktivitu uhlíku v roztavené litině, d) nesmí být v rozporu se složením kovu.

2.1.3.1 Způsoby očkování [1], [2], [4]

Očkování lze provést čtyřmi způsoby:

16 a) očkování do pánve,

b) očkování do proudu kovu během odlévání, c) očkování pomocí plněného profilu,

d) očkování očkovacími tělísky ve vtokové soustavě.

Očkování do pánve je nejpoužívanější metodou. Očkovadlo se sype do proudu kovu během plnění pánve z pece, nebo z transportní pánve.

Musíme-li tekutý kov vícekrát přelévat, očkujeme při posledním přelévání. Očkování do plné, nebo naopak prázdné pánve se neprovádí. V případě prázdné pánve by mohlo dojít k přilepení, u plné pánve se nezajistí rozpustnost a očkovadlo se obalí struskou.

Při očkovaní litiny s kuličkovým grafitem očkujeme až po skončení hořčíkové reakce. Nevhazujeme očkovadlo do pánve se zbytkem kovu nebo do nové na vysokou teplotu rozehřáté pánve, očkovadlo by rychle zoxidovalo. Zrnitost očkovadla se volí především podle objemu kovu a teploty. Zrnitost 2 – 4 mm se volí pro malé pánve a 30 mm i více pro pánve velké.

Očkování do proudu kovu během odlévání se používá především při odlévání automatickým licím zařízením. Očkovací látka ve formě prášku je dopravována proudem stlačeného vzduchu ke vtokové jamce, kde se po celou dobu odlévání přidává do proudu kovu, který do vtokové jamky teče.

Pro tento způsob se volí očkovadla s dobrou rozpustností, malou zrnitostí a rychlou dobou tavení.

Očkování plněným profilem se používá spíše jako dodatkové očkování při odlévání forem. Nejčastěji se očkuje v mezipánvičce, lze ale také očkovat v proudu kovu nebo v pánvi.

17

Očkovací profil je vyroben z měkké ocele a uvnitř je vyplněn směsí jemně zrnitých očkovadel. Má různé tvary i velikosti a je navinut na bubnu. Z bubnu je profil posouván podavačem, který zajišťuje rychlost podávání i výši předehřevu. Tento způsob očkování umožňuje plně automatický provoz.

Očkování očkovacími tělísky - očkovadlo má tvar tělísek, které mají různé velikosti a volí se podle množství kovu ve formě. Tělíska se vkládají pod vtokový kůl, nebo do filtru, či do osazení na dno licí jamky.

Očkování ve formě je vhodné pro odlévání velkých odlitků s velkou dobou lití. Při tomto očkování musíme věnovat pozornost konstrukci vtokového systému a kontrole založení očkovadla.

Očkování v mezipánvičce je očkování určitého přesně naměřeného množství roztavené taveniny, která je umístěna v mezipánvičce. Po naočkování se litina vylévá do formy.

Výhodou této metody očkování je její spolehlivost, jednoduchá regulace a výměna očkovadla v závislosti na změně vyráběných odlitků. Značnou nevýhodou je naopak větší výška zařízení a ztráta teploty při dvojnásobném přelévání.

Očkování podfukováním litiny je méně častý způsob očkování. Rozlišujeme tři druhy tohoto očkování dle způsobu provedení:

a) Podfukování inertním plynem, kde dochází k malému zlepšení grafitizace a mechanických vlastností. Jako inertní plyny jsou použity dusík a argon.

b) Podfukování aktivním plynem je metoda, kterou lze dosáhnout zvýšení pevnostních vlastností litin. Jako aktivní plyny se používají amoniak a dikyandiamin.

18

c) Kombinace obou předchozích způsobů očkování se osvědčila, především při výrobě tenkostěnných odlitků.

2.1.3.2 Rozdělení očkovadel podle složení [1], [2], [4]

Očkovadla na bázi křemíku - nejznámějším očkovadlem je ferosilicium s obsahem 65 – 75 % Si a 1 – 2 % Al a také 0,2 – 1 % Ca. Jsou-li v očkovadle současně přítomny Ca i Al, je dosaženo nejlepšího očkovacího účinku.

Vysoký obsah Ca způsobuje vznik struskovitých vměstků, naopak vysoký obsah Al podporuje vznik bodlin. Obsah těchto dvou prvků se volí podle použití. Obsahuje-li očkovadlo ještě další prvky jako barium, cér, mangan a zirkonium, je to pro očkování výhodnější. Toto očkovadlo se pak nazývá komplexní.

Komplexní očkovadlo na bázi ferosilicia obsahuje:

a) Sr (0,5 – 1,0 %) - slouží pro rychlejší rozpuštění očkovadla i při nízkých teplotách kovu, což je teplota okolo 1300 C^o . Dále prodlužuje dobu očkovacího účinku a zamezuje zvýšení počtu eutektických buněk.

b) Ba (1 - 6 %) - váže dusík a tím zmenšuje riziko vzniku bodlin, zároveň prodlužuje dobu očkujícího účinku.

c) Zr (1 – 6 %) – vykazuje vysokou desoxidační schopnost, zpomaluje odeznívání a tím přispívá k dobrému očkovacímu účinku.

d) Mn (až 10%) - při nízkých teplotách zlepšuje rozpustnost očkovadla.

e) Ce (0,5 – 1,0 %) - se v očkovadlech objevuje méně často, pokud ano, tak většinou jako součást modifikátorů. Tvoří sirníky, velmi stabilní oxidy a pomáhá snižovat rychlost odeznívání očkovacího účinku.

f) Ti (až 10 %) - se používá zřídka, protože brání vzniku kuličkového grafitu. Váže dusík a tím snižuje vznik bodlin. Uhlík s titanem může tvořit karbidy TiC, které zvyšují opotřebení řezných nástrojů.

19

Očkovadla na bázi uhlíku obsahují kolem 30% krystalického uhlíku a asi 40 – 50%

křemíku. Uhlíkatými očkovadly se očkuje pří teplotě alespoň 1400 C^o , při nižších teplotách se špatně rozpouští a tvoří strusku. Dávkování očkovadla je 0,3 – 0,6 % hmotnosti taveniny. Nelze je použít pro výrobu LKG, tzn. pro výrobu litiny s nízkým obsahem síry.

Očkovadla na bázi karbidu křemíku se nepoužívají dlouho a mají teplotu tavení nad 1700 C^o . Díky této vysoké teplotě se v tavenině netaví příliš rychle, ale pomalu se v ní rozpouští. Mají dlouhodobý očkovací efekt, proto je můžeme přidávat již do lázně v tavící peci. Rozpuštěné SiC i při vysokých teplotách taveniny zvyšuje stabilitu zárodků.

Karbid křemíku snižuje přechlazení a má pozitivní vliv na krystalizaci primárního austenitu. Toto očkovadlo obsahuje 85 – 90% SiC. Dávkování očkovadla je 0,5 % hmotnosti taveniny.

Silikokalcium se spíše než pro litinu používá při výrobě oceli. I při velmi malém obsahu síry se projevuje očkovací účinek. Na druhé straně tvoří velké množství strusky.

Litina se očkuje silikokalciem s obsahem 30% Ca a 65% Si a dávkování je 0,2 – 0,4

% hmotnosti taveniny. Účinek očkování celkem rychle odeznívá.

Přehled a chemické složení klasických očkovadel je uvedeno v tabulce 2.2.

V tabulce 2.3 je uveden přehled speciálních očkovadel s chemickým složením.

Tabulka 2.2 Přehled klasických očkovadel [2]

Klasická očkovadla Si

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

FeSi 75% 74 – 79 1,50 0,10 0,01 0,02 0,10 Gransil 74 - 78 1,25 0,05 0,01 0,02 0,10 FeSi LA 0,5% 74 - 78 0,50 0,05 0,01 0,02 0,10 FeSi LA 0,1% 74 -78 0,10 0,05 0,01 0,02 0,10

Poznámka: LA - nízký obsah hliníku; zrnitost: FeSi 0,5 - 3,0 mm, 2 – 6 mm, 3 – 12 mm, 10 -50 mm, 20 – 80mm.

20 Tabulka 2.3 Přehled speciálních očkovadel [2]

Speciální očkovadla

Si

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

Superseed 75 73 - 78 max. 0,1 - 0,6 - 1,0 - max. 0,5

Superseed 50 46 - 50 max. 0,1 - 0,6 – 1,0 - max. 0,5

Superseed extra 73 - 78 max. 0,1 - 0,6 – 1,0 1,0 – 1,5 max. 0,5 Foundrisil 73 - 78 0,75 – 1,25 0,75 -1,25 - - 0,75 – 1,25

Barinoc 72 - 78 1,0 – 2,0 2,0 – 3,0 - - max. 1,5

Zircinoc 73 - 78 2,0 – 2,5 - - 1,3 – 1,8 1,0 – 1,5

ReSeed 72 - 78 0,5 -1,0 - - - 0,5 – 1,25

2.1.4 Zařízení k tavení litin [1], [2], [3]

Tavení litin se provádí v následujících tavících agregátech:

a) elektrické indukční pece, b) kuplovny,

c) elektrické obloukové pece, d) rotační bubnové pece.

Nejčastěji se pro tavení litiny používají elektrické indukční pece a kuplovny.

Kuplovny se používají především pro přípravu taveniny litiny s lupínkovým grafitem.

Elektrické indukční pece mají oproti kuplovnám výhody metalurgické i ekologické.

Ekologické výhody spočívají v malém množství prachových a plynných exhalací v porovnání s provozem kuploven. Za metalurgické výhody považujeme především velkou operativnost provozu, snadnou změnu chemického složení, získaní vysokých tavících teplot jednoduchou regulací tavícího procesu s malými propaly prvků.

Průchodem střídavého proudu indukční cívkou vzniká magnetické pole, působením magnetického pole dochází k indukčnímu ohřevu. Nachází-li se v magnetickém poli

21

elektricky vodivý materiál, indukuje se v tomto materiálu elektrické napětí.

Indukované napětí způsobuje vznik silných vířivých proudů, které uskutečňují Joulovým teplem ohřev elektricky vodivého materiálu. Přenášený výkon lze stanovit ze vztahu:

P = R I²

(2.1)

kde je: P - přenášený výkon ; R - elektrický odpor ; I - indukovaný proud .

Tloušťka povrchové vrstvy, ve které se indukuje 86% z celkového přenášeného výkonu, se označuje hloubkou vniku. Ta je závislá jak na elektrických a magnetických vlastnostech, tak na frekvenci proudu.

Hloubku vniku určíme ze vztahu:

503

·

r ⋅ f µ

ρ (2.2)

kde je: - hloubka vniku ;

- měrný elektrický odpor [ · mm² ·m^-1];

f - frekvence .

Elektrické indukční pece rozdělujeme podle frekvence na pece středofrekvenční a pece na síťovou frekvenci.

Středofrekvenční pece pracují se střídavým proudem o frekvenci 120 až 1000 Hz. U pecí s objemem kelímku 3 až 6 tun se velmi často používá střídavý proud o frekvenci 250 Hz. Velikost frekvence je závislá na velikosti pece, s rostoucí velikostí pece se zmenšuje používaná frekvence.

22

Pece na síťovou frekvenci - jsou napájeny střídavým proudem s frekvencí 50 Hz a tak nepotřebují měnič frekvence jako pece středofrekvenční.

Dále se elektrické indukční pece rozdělují podle uložení induktoru na kelímkové a kanálkové. Induktor je část zařízení, ve kterém je umístěna indukční cívka. Cívku tvoří stočený čtvercový nebo obdélníkový dutý profil z mědi, ve kterém protéká chladící voda.

Kelímkové indukční pece jsou jak na síťovou frekvenci, tak i středofrekvenční. U těchto pecí je kelímek na tavení uložen v ose indukční cívky. Kelímkové indukční pece podle frekvence dělíme následovně:

a) Kelímkové indukční pece na síťovou frekvenci - tento typ pecí se používá zřídka.

V důsledku velké hloubky vniku je velmi obtížné tavení z pevné vsázky normální kusovitosti, a proto se natavuje na startovací blok nebo na tekutý zbytek.

Startovací blok je vsázka, která byla odlita při předchozí tavbě a do pece se vkládá jako první část vsázky. Po roztavení startovacího bloku, který umožňuje natavení pece, se přidává vsázka normální kusovitosti. Tekutý zbytek je část taveniny, která je udržována v tekutém stavu a trvale se ponechává v peci.

b) Středofrekvenční indukční kelímkové pece - tyto pece se nejčastěji používají pro tavení. Natavování je zde prováděno bez tekutého zbytku z vsázky normální kusovitosti.

V kanálkových indukčních pecích je induktor samostatnou částí, která je s kelímkem spojena vyměnitelným způsobem. Ohřev kovu probíhá v kanálku induktoru. Vlivem elektromagnetických sil ohřátý kov proudí a dochází k míchání s ostatním kovem.

Tento typ pece není možné za provozu vyprázdnit a tak nám zůstává v induktoru a části kelímku tekutý zbytek. Kanálkové indukční pece slouží při výrobě litin jako homogenizační a udržovací, nevýhodou je zanášení kanálů struskou a oxidy.

23

Kuplovny jsou šachtové pece kruhového průřezu, které slouží k výrobě litiny a pracují na protiproudovém principu. První šachtová pec byla patentována v roce 1794, a to v Anglii. Výška kuplovny se udává jako vzdálenost od dna k prahu zavážecího otvoru. U velkých kuploven, se výška pohybuje od 4,5 až do 7,5 metru.

Průměrem šachty v oblasti dmyšen získáme velikost kuplovny. Velikost kuploven se pohybuje od 0,7 do 1,4 metrů. Tavící výkon kuplovny lze orientačně stanovit podle vztahu:

Phod = (6÷8)·D² (2.3)

kde je: Phod - tavící výkon kuplovny [t·hod^-1];

D - průměr šachty v oblasti dmyšen [m].

Tavící výkon kuplovny vypočteme ze vztahu:

P = 100 100

100 100

35 ,

1 ⋅

⋅ +

⋅ ⋅

k SPAL

K

Q

η ^{[t·h-1] (2.4)}

kde je: Q - množství vzduchu foukaného do kuplovny [N· m^-3 ·min^-1];

K - měrná spotřeba koksu [%];

k - obsah uhlíku v koksu [%];

ηSPAL - součinitel spalování.

Dle doby provozu dělíme kuplovny na:

Kuplovny s periodickým provozem - při periodickém provozu se v kuplovně taví pouze jeden den a maximální doba tavby nepřesáhne 12 – 16 hodin. Tento čas je limitován opotřebením vyzdívky, proto se kuplovny s periodickým provozem staví ve dvojicích - v jedné kuplovně probíhá tavení a v druhé se provádí oprava.

Kuplovny s kampaňovým provozem -v tomto provozu pracují kuplovny s průměrem nad 1 metr, které se nenechají vychladnout po dobu několika týdnů. Není běžné

24

provádět tavení po celou dobu kampaně, proto při přerušení provozu dochází k utlumení pece tak, že do pece už nedáváme kovovou vsázku. Místo kovové vsázky se vsadí pár dávek koksu, následně vypustíme kov a vypneme foukání větru.

V utlumení může kuplovna bez vyhasnutí vydržet i několik dní přerušeného provozu.

Dle předpecí rozdělujeme kuplovny na:

Kuplovny bez předpecí - se používají ve slévárnách, které vyrábí tenkostěnné odlitky a nepotřebují tak velké množství roztavené litiny. Tento typ kuploven není vhodný pro výrobu litiny s nízkým obsahem uhlíku, protože roztavená litina je delší dobu ve styku se základovým koksem. V těchto kuplovnách můžeme dosáhnout vyšší teploty roztavené litiny díky menšímu ochlazování.

Kuplovny s předpecí - se naopak používají ve slévárnách, které potřebují velké množství roztavené taveniny. Používají se k výrobě větších odlitků. Předpecí je v podstatě zásobník mimo pracovní část kuplovny, do kterého se odvádí roztavená litina. Odvodem roztavené litiny do předpecí získáme méně nauhličenou litinu.

Elektrické obloukové pece se používají v ocelárnách, které zároveň vyrábí odlitky z litiny s kuličkovým grafitem. Teplo vzniká elektrickým obloukem, který vznikne mezi elektrodami přívodem elektrického proudu z vysokonapěťové sítě přes transformátory a tlumivku. Elektrody prochází víkem pece a kovovou vsázkou.

Elektrody, které jsou vyrobeny většinou z grafitu, se netaví, mají dobrou tepelnou vodivost a jsou dostatečně odolné proti ohybu.

Rotační bubnové pece jsou moderním tavícím agregátem pro tavení všech druhů litin i některých neželezných slitin. Hlavní předností jsou nízké provozní i investiční náklady s velkou operativností. Hmotností vsázky je určena velikost pece, která se pohybuje od 2 do 8 tun. K vytápění se používá lehký topný olej a zemní, nebo kapalný plyn. Využití spalitelného tepla se pohybuje mezi 50 až 60 procenty, což je 2 kát více než u indukčních pecí. Oproti kuplovnám je využití spalitelného tepla až 50 procentní.

25 2.2 Charakteristika slévárny litiny ve Škoda Auto

Slévárna je jedním z hutních provozů automobilky Škoda Auto a je zobrazena na obrázku 2.1. Odlitky jsou vyráběny technologií gravitačního lití do netrvalých bezrámových a rámových forem a odlévaný materiál je litina s lupínkovým nebo kuličkovým grafitem. Slévárna odlévá odlitky od hmotnosti 1,8 kg do 12 kg a její sortiment tvoří z převážné části brzdový buben, vložka válce, rameno závěsu, ale také se zabývá výrobou náhradních dílů pro dřívější modely automobilů, které již nejsou sériově vyráběné. Hlavní sortiment vyráběných dílů je zobrazen na obrázku 2.2.

Obr. 2.1 Slévárna litiny ve Škoda Auto.

2.2.1 Sortiment výroby

Brzdový buben

(výrobní číslo dílu R 6Q0 609 617) Hmotnost dílu: 6 kg

Materiál: EN-GJL-250 Počet kusů ve formě: 3

Vložka válce

(výrobní číslo dílu R 030 103 321) Hmotnost dílu: 1,75 kg

Materiál: EN-GJL-250 Počet kusů ve formě: 12

Obr. 2.2 Sortiment vyráběných odlitků.

26 2.2.2 Provoz slévárny

Provoz slévárny ve Škoda Auto Mladá Boleslav je tvořen ze 4 dílčích provozů (tavírna, formovna, pískové hospodářství a čistírna).

2.2.2.1 Tavírna

V tavírně je umístěno 10 středofrekvenčních indukčních kelímkových pecí od dvou výrobců. Od firmy Junker jsou 4 pece, každá o objemu 4,5 tuny s dobou tavení 50 minut, které se používají pro zajištění potřeby tekutého kovu pro stávající produkci.

Firma BBC má na tavírně 6 pecí o objemu 3,5 tuny s dobou tavení 80 minut. Pro nižší objem a delší dobu tavení se používají jako záložní tavící agregát.

Obr. 2.3 Přelévání litiny do bubnové transportní pánve.

Rameno závěsu

(výrobní číslo dílu R 1K0 407 153 N) Hmotnost dílů: 4,5 kg Materiál: EN-GJS-400-15

Počet kusů ve formě: 2

27

Vsázkování do indukční pece se provádí následujícím způsobem.

Nejprve vložíme na dno pece nauhličovadlo (cca 25 kg) s ocelovými paketami (celkem cca 660 kg). Dosypeme nauhličovalo (cca 29 kg) a přidáme SiC (cca 66 kg) se zbytkem ocelových paket (cca 1340 kg). V dalším kroku přidáme legury FeCr (8 kg), Cu (15 kg) a FeMn (13 kg). Dále vsázkujeme surové železo (cca 300 kg) a vratným materiálem doplníme kapacitu pece. S posledním košem vratného materiálu se do pece přidává Pyrit (2 kg). V tabulce 2.4 je uvedeno množství všech vsázkových surovin, u kterých se mění hmotnost v závislosti na ostatních surovinách. Zde popsanému postupu vsázkování, odpovídají červeně zabarvené hodnoty v tabulce číslo 2.4. Předpis chemického složení pro vyráběné odlitky je uveden v tabulce 2.5

Tabulka. 2.4 Šaržovní návodka [5]

Materiál: šedá litina

Materiálová norma: TL 011 Vsázka

[ ]

Ocel Calcinát N

(nauhličovadlo) SiC FeCr Cu FeMn (ks)

1800 49 60 7 13,5 12

1900 52 63 7,5 14 12

2000 54 66 8 15 13

2100 57 69 8 15,5 13

2200 59 73 8,5 16 14

2300 61 77 8,5 16,5 14

2400 64 81 8,5 17 15

2500 66 84 9 18 16

Tabulka 2.5 Předpis chemického složení pro vyráběné odlitky [5]

Předpis chemického složení pro litinu

s lupínkovým grafitem

Předpis chemického složení pro litinu

s lupínkovým grafitem

Předpis chemického složení pro litinu

s kuličkovým grafitem, pro metodu

modifikace plněným profilem Odlitek Brzdový buben

(R 6Q0 609 617)

Vložka válce (R 030 103 321-1)

Rameno závěsu (R 1K0 407 153 N) Materiálová

norma TL 011 TL 001 GJS 400 - 15

C % 3,15 – 3,30 3,20 – 3,30 3,60 – 3,75

Mn % 0,50 – 0,60 0,60 – 0,75 0,15 - 0,25

Si % 1,75 – 1,90 1,75 – 1,90 2,25 – 2,40

P % 0,00 – 0,15 0,50 – 0,65 0,00 – 0,07

28

S % 0,05 – 0,10 0,00- 0,10 0,00 – 0,025

Cr % 0,20 – 0,30 0,00 - 0,10 0,00 – 0,05

Ti % 0,00 – 0,10 0,03 – 0,08 0,00 – 0,07

Cu % 0,55 – 0,65 0,50 – 0,60 0,00 – 0,10

Odpichové teploty jsou závislé na provozu ve slévárně, prohřátí licích zařízení a přizpůsobují časovým prodlevám a licím teplotám, které jsou uvedeny v tabulce 2.6.

Odpichová teplota pro litinu s kuličkovým grafitem je 1550-1620 C^o a u litiny s lupínkovým grafitem se teplota pohybuje mezi 1400-1500 C^o .

Tabulka 2.6 Licí teploty pro cely sortiment vyráběných odlitku [5]

Sortiment Vylévací teplota

[ ]

[ ]

Vložka válce < 1370 1370 - 1400 1400 >

Rameno závěsu < 1400 1400 - 1430 1430 >

Očkování

Při očkování se vnáší látky tak zvaného očkovadla do roztavené litiny s cílem zvýšit počet heterogenních zárodků pro krystalizaci grafitu. To má za následek rovnoměrné vylučování grafitu s dosažení homogenní struktury. Podle typu grafitické litiny, se očkování ve slévárně Škoda Auto provádí následovně:

a) Grafitizační očkování litiny s kuličkovým grafitem pro licí zařízení Inductotherm Z litiny s kuličkovým grafitem, se vyrábí ramena závěsů.

Při výrobě ramen závěsů se používá dvoustupňového očkování. Ještě před očkováním se odstraní struska pomocí separátoru strusky. První stupeň očkování se provádí pomocí odměrky číslo 025, do které nabereme očkovadlo VP 216 o zrnitosti 1-3 mm. Očkování se provádí do proudu kovu, a to při přelévání z pánve do licího zařízení. Zde popsaný první stupeň očkování platí pouze pro modifikaci plněným profilem.

Při druhém stupni očkování je použit systém automatického očkování MSI.

Očkovadlo VP 216 GSK(granulát o zrnitosti 0,6 až 3mm. pro očkování v proudu.) o dávce 2,8 g/s se přidává do proudu kovu, při plnění formy.

b) Grafitizační očkování litiny s lupínkovým grafitem pro licí zařízení Inductotherm

29

Litina s lupínkovým grafitem se používá ve slévárně Škoda Auto při výrobě vložky válce, tak i brzdového bubnu. K výrobě vložky válce i brzdového bubnu je použito dvoustupňové očkování. Před prvním stupněm očkování se pomocí separátoru strusky odstraní struska.

V prvním stupni očkování je použito stejné očkovadlo superseed 75, které se odměří buď odměrkou číslo 010 pro výrobu brzdového bubnu, nebo odměrkou číslo 015 pro vložku válce. Při přelévání z pánve do licího zařízení se provádí očkování do proudu kovu. Druhý stupeň očkování se opět provádí systémem automatického očkování MSI. Dávky očkovadla pro druhý stupeň očkování je uveden v tabulce 2.7.

Tabulka 2.7 Stupně očkování pro litinu s lupínkovým grafitem [5]

Sortiment: Brzdový buben Vložka válce

Dávka: 2,9 [g/s] 3,5[g/s]

Očkovadlo: CSF 10 / Inoculin 920 SB – 5 / Inoculin 900

Systém očkování MSI 90

Systém MSI 90 je metoda automatického opožděného očkování proudu kovu, společně vyvinuté firmou Foseco a Bcria. Navržený je k provozu ve spojení s mechanickým nebo automatickým licím zařízením. Řídící jednotka systém MSI 90 je zobrazena na obrázku 2.4 a způsob očkování tímto systémem je znázorněn na obrázku 2.5.

V systému MSI 90 má být především použito očkovadlo Inoculin 90. Chemické složení Inoculinu 90 je v tabulce 2.8

30

Obr. 2.4 Řídící jednotka systému MSI 90

Obr. 2.5 Pohled na odlévání do bezrámové formy v okamžiku sekundárního očkování s využitím systému MSI 90

Výhody tohoto systému ve srovnání s konvečním způsobem očkování v licí pánvi jsou:

1) velká hospodárnost ve spotřebě očkovadla s úsporou až 80%

2) očkovadlo se přidává do proudu kovu při plnění formy, a tím si zachovává svoji maximální účinnost,(odevzdávání očkovacího efektu)

3) systém, který nám zaručuje, že bude správně naočkován první i poslední kov, který se do formy dostane

31

4) monitorovací zařízení poskytuje včasné varování na nesprávnou funkci systému nebo na nízkou hladinu očkovadla

5) snadné nastavení přídavku očkovadla

Tabulka 2.8 Složení a teplota tání pro Inoculin 90

Velikost zrna: (0,2 – 0,7 mm) Chemické složení: 65% Si

5 % Zr 1,5% Ca 3,5 % Mn Max. 1,5% Al Bod tání: Inoculinu 90 1105 - 1170 C^o

Výpočet průtoku Inoculinu lze provést podle vzorce:

R=

t p G⋅ ⋅10

[g·s^-1] (3.1)

kde je: t – průměrný čas lití v

[ ]

p – požadované procento Inoculinu v

[ ]

G – průměrná hmotnost lití na formu v

[ ]

R – průtok očkovadla v [g·s^-1].

Zařízení a jeho technický popis

Tabulka 2.9 Technický popis ovládací jednotky

Napájení: 230 V/ 115 V (volitelné) Spotřeba: 46 W

Rozměry: 850 (D) x 415 (H) x 325 (V) mm Hmotnost: 32 kg

32 Tabulka 2.10 Technický popis napájecí jednotky Spotřeba: 0,12 kW

Potřeba stlačeného vzduchu: cca 25 Nm³/h

Rozměry: 425 (D) x 245 (H) x 780 (V) s násypkou

425 (D) x 245 (H) x 980 (V) s otevřeným víkem násypky

Hmotnost: 34kg

Hmotnost dávkovací násypky:

15 kg prázdná násypka

30 kg hmotnost samotného očkovadla 45 kg celková hmotnost zcela plné násypky Hmotnost 5 m hadice a

kabelů: 8 kg

Modifikace

Modifikací litiny měníme tvar grafitu v litině. Pomocí modifikátoru můžeme získat grafit ve tvaru červíků, nebo kuliček. Roztavenou litinu dopravíme do modifikačního boxu, který zobrazen na obrázku 2.6 pomocí vysokozdvižného vozíku vybaveného tenzometrickými vahami a předehřáté transportní hrncové pánvi o objemu 1 tuny.

Při tomto bouřlivém ději, který probíhá v modifikačním boxu, dochází k postupnému rozpouštění hořčíkových par, které probublávají litinou. Ve Škoda Auto se modifikace používá při výrobě litiny s kuličkovitým grafitem, která je použita při výrobě ramen závěsů. Jako modifikátor je zde použit plněný profil. Plněný profil je o průměru 9 mm z materiálu Inform M 37609 dodávaný v balení o hmotnosti 256 kg.

Množství plněného profilu je cca 25 m na 900 kg litiny při obsahu síry 0,012%.

Hmotnost drátu s náplní je 188 g/m a hmotnost samotné náplně je 75 g/m. Chemické složení zásadních prvků samotné náplně je v tabulce číslo 2.11.

Tabulka 2.11 Chemické složení zásadních prvků samotné náplně prvky Obsah činných prvků

Si 4 [g/m]

Mg 62 [g/m]

KVZ 2,7 [g/m]

33

Obr. 2.6 Modifikační box 2.2.2.2 Formovna

Ve slévárně se nacházejí 2 formovací linky, první je Formovací linka od firmy Loramendi a je používaná pro sériovou výrobu dílů ze současné produkce.

Formovací stroj formuje s vertikální dělící rovinou a s taktem až 450 forem za hodinu v případě bezjádrové technologie s velikostí pískových forem 535 × 750 × 200 – 450 (mm). Maximální velikost odlitku může být až 395× 610 × 310 (mm).

Odlévání pro formovací linku od firmy Loramendi se provádí pomocí automatického dvoutunového nevyhřívaného licího zařízení od firmy Inductotherm, do kterého je dopravována roztavená litina v transportní hrncové pánvi.

Druhá formovací linka od firmy Stone Walwork se používá pro výrobu dílů z bývalé produkce a pracuje s maximálním výkonem 1150 forem za směnu s velikostí formy 700 × 500 ×200/200 (mm). Na této formovací lince je použita pro dopravu roztavené litiny předehřátá transportní bubnová pánev. Při přelévání roztavené litiny z transportní bubnové pánve do mnohem menších hrncových pánvích, které se pohybují po soustavě kolejnic se prováděno očkování roztavené litiny. Odlévání z hrncových pánví je prováděno zcela ručně.

34

2.2.2.3 Čistírna

Po vyplnění formy taveninou litiny je forma posunována krokovým dopravníkem na synchronizovaný pásový dopravník. Zde forma samovolně tuhne a je dopravníkem neustále dopravována k vytloukacím roštům. Na vytloukacích roštech dojde k rozpadnutí formy a formovací směs propadává skrz vytloukací rošt. Díky pohybu roštu se odlitky dostanou na transportní pás, po kterém putují k odstranění vtokové soustavy. Odstranění provádí zaměstnanci slévárny pomocí hydraulických klínů u odlitků z litiny s kuličkovým grafitem. Odlitky z litiny s lupínkovým grafitem jsou odděleny od vtokové soustavy samovolně již během vytloukání z rámů, případně úderem kladiva na vtokovou soustavu. Po odstranění vtokové soustavy se odlitky umístí do přepravních beden, které pak slouží k přepravě k bubnovým tryskačům.

Tryskání probíhá v bubnových tryskačích GT 10 × 12,5, nebo v GT 10 × 16. Jako abrasivo se zde používají ocelové tryskací broky S 15 (S 460) a ostrohranná drť GP 16. Zde dojde k odstranění zbytku formovacího písku a dalších nečistot.

2.2.2.4 Pískovna

Zde se kontroluje, připravuje a mísí formovací směs.

Jako formovací směs se používá jednotná bentonitová směs, která je pojena vysoce kvalitním směsným bentonitem s obsahem 86 % montmorillonitu. Hodnoty jednotné bentonitové směsi získané v laboratorních podmínkách jsou zaznamenány v tabulce 2.12.

Tabulka 2.12 Hodnoty jednotné bentonitové směsi [5]

Typ měření Jednotky Číselná hodnota

Vlhkost

[ ]

Pevnost v tahu

[

]

[

]

Spěchovatelnost

[ ]

35

Pevnost v kondenzační zóně

[

]

[

]

Ztráta žíháním

[ ]

Vyplavitelné látky dle PP 6/1

[ ]

Obsah aktivního bentonitu

[ ]

Zrnitost směsi d 50

[ ]

[ ]

PH vodního výluhu

[ ]

Vyplavitelné látky dle PP 6/2

[ ]

K míšení formovací směsi se používá mísič MTI-2500 Technical, což je 2,5 tunový vířivý mísič řízený systémem Michenfelder s automatickým vyhodnocováním spěchovatelnosti. Mísič MTI -2500 Technical je současně vybaven před mísičem a chladicím zařízením od firmy Space. Chladící zařízení je schopno ochladit 60tun/hodinu ze 120°C na maximálně 40°C . Dávkování do mísiče je uvedeno v tabulce číslo 2.13.

Tabulka 2.13 Dávkování do mísiče MTI-2500 Technical [5]

Přísada Hmotnost

[ ]

[ ]

[ ]

Vratný písek 2390 - 2423 95,6 - 96,9 ±24,2

Nový písek 60 - 80 2,4 - 3,2 ±0,8

Směsný bentonit 20 - 35 0,8 - 1,4 ±0,28

Celá dávka 2500 100

36

3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST PRÁCE

Experimentální část diplomové práce byla zaměřena na sledování rozdílů kvality vyrobených odlitků jednoduchých tvarů z litiny s lupínkovým grafitem v závislosti na množství a typu očkovadla. Celá experimentální část byla realizována ve slévárně litin ve Škoda Auto v Mladé Boleslavi. Cílem experimentů bylo porovnání změn struktury a mechanických vlastností v závislosti na množství a typu daného očkovadla.V této souvislosti bylo provedeno hodnocení chemické analýzy odlitků, tvrdost, zkouška mezi klíny, metalografické hodnocení a hodnocení zákalky.

3.1 Charakteristika slévárenské formy

Pro tyto experimenty byl navržen a ve dřevodílně zhotoven dřevěný model obdélníkového tvarů se zvětšující se tloušťkou. Základní rozměry a tloušťky odlitku jsou po opracování zakresleny na obrázku 3.1.

Obr. 3.1 Odlitek před opracováním na požadované zobrazené rozměry

Dřevěný model byl následně ručně zaformován do deseti rámů o rozměru 450 x 300 x 100 mm. Formy byly vyrobeny ručním způsobem s použitím běžných formířských pomůcek. K formování deseti rámů, byla použita jednotná bentonitová směs pojená vysoce kvalitním směsným bentonitem s obsahem 86 % montmorillonitu. Hodnoty této formovací směsi získané v laboratorních podmínkách jsou v tabulce číslo 2.12.

Na obrázku 3.2 je pohled do rozevřené slévárenské formy (vlevo forma s odlitkem, vpravo dutina formy).

37

Obr. 3.2 Pohled do rozevřené slévárenské formy o rozměrech 450 x 300 x 100 mm,(vlevo forma s odlitkem, vpravo dutina formy).

3.2 Příprava taveniny

Tavenina byla připravována standardním způsobem ve středofrekvenční indukční kelímkové peci od firmy Junker. Hmotnosti vsázkových surovin pro tyto tavby, jsou uvedeny v tabulce číslo 3.1 spolu se značením odlitků. Celkem byly provedeny tři tavby a bylo vyrobeno celkem deset odlitků. Tavby byly rozděleny do tří skupin:

a) srovnání očkované litiny s litinou neočkovanou viz etapa I.

b) porovnáním čtyř typů očkovadel při stejném množství viz etapa II.

c) hodnoceni jednoho typu očkovadla při různém množství viz etapa III.

Tabulka 3.1 Vsázkové suroviny a značení odlitku pro další zkoušky Tavba

číslo

Odlitek číslo

Vsázka [Kg] Typ

očkovadla

Dávka hmot.

[%]

Ocel CalcinátN

SiC FeCr Cu FeMn (ks) Hodnoty pro I. etapu práce

392. 1. 2000 54 66 8 15 13 Neočkováno -

2. Superseed75 0,1

Hodnoty pro II. etapu práce 116.

3.

2000 54 66 8 15 13

VP 216 0,1

4. In 920 0,1

5. SB 5 0,1

6. CSF 0,1

Hodnoty pro III. etapu práce

38 117.

7.

2000 54 66 8 15 13

CSF 0,2

8. CSF 0,3

9. CSF 0,4

10. CSF 0,5

Litina s lupínkovým grafitem měla stejné chemické složení, jako se používá při výrobě odlitku brzdového bubnu a je uvedeno v tabulce 2.5. Po odstranění vtokové soustavy se odlitky následně tryskaly.

S ohledem na výše uvedené rozdělení taveb, byla experimentální část práce rozdělena na tři oblasti.

I. etapa experimentů - byly odlity dva odlitky, na kterých se provedlo srovnání vlastností očkované litiny s litinou neočkovanou. K očkování litiny bylo pouze jedno stupňové a bylo provedeno očkovadlem Superseed 75 o dávce 0,1 hmot. % taveniny.

Očkovadlo Superseed 75 je na bázi ferosilicia a obsahuje očkovací prvek stroncium.

Používá se pro litinu lupínkovým a kuličkový grafitem. Sklon k tvorbě strusky se minimalizuje nízkým obsahem hliníku a vápníku. V tabulce 3.2 je uvedené chemické složení očkovadla Superseed 75.

Tabulka 3.2 Chemické složení očkovadla Superseed 75

Prvek Si Sr Ca Al

Obsah prvků [%] 73 - 78 0,6 - 1,0 Max. 0,1 Max. 0,5

II. etapa experimentů - se zabývala porovnáním čtyř typů očkovadel při stejném množství očkovadla. Odlitky byly očkované očkovadly VP 216, In 920, SB-5 a CSF 10 o stejné dávce 0,1 hmot. % taveniny.

Očkovací slitina SB 5 je na bázi ferosilicia a používá se pro litinu s lupínkovým a kuličkovým grafitem. Velkou činnost při širokém rozsahu použití, nám zajišťují vlastnosti baria, hliníku a vápníku. Chemické složení očkovadla SB 5 je uvedeno v tabulce 3.3.

39 Tabulka 3.3 Chemické složení očkovadla SB 5

Prvek Si Ba Al Ca Fe

Obsah prvků [%] 65 - 70 2 - 2,5 1 - 1,5 1 - 1,5 Zbývající množství

Očkovací látka CSF 10 se používá jak pro litinu s lupínkovým grafitem, tak i pro litinu s kuličkovým grafitem. Účinnost očkováním litiny s lupínkovým grafitem se zvyšuje i vlivem tvorby oxidů smíšených kovů a sulfidů. Složení očkovadla CSF je uvedeno v tabulce 3.4.

Tabulka 3.4 Chemické složení očkovadla CSF 10

Prvek Si SE Al Ca Fe

Obsah prvků [%] 36 - 45 9 - 15 cca. 0,8 0,4 - 1,0 Zbývající množství

Očkovací přísada Inoculin 920 obsahuje prvek lanthan a použití má pro litiny s lupínkovým, červíčkovým a kuličkovým grafitem. Lanthan zabraňuje rychlému ochlazování a snižuje tvorbu mikrostaženin. V tabulce 3.5 je složení očkovadla Inoculin 920.

Tabulka 3.5 Chemické složení očkovadla Inoculin 920

Prvek Si La Ca Al

Obsah prvků [%] 45 - 50 1,8 - 2,2 Max. 2,5 Max. 1,5

Očkovací přípravek VP 216 je vyvinutý pro očkování litiny s kuličkovým grafitem.

Je snadno rozpustný a potlačuje tvorbu karbidů a zákalky. Vysokou účinnost očkování dosáhneme díky hliníku a vápníku. Složení očkovacího přípravku VP 216 je v tabulce 3.6.

Tabulka 3.6 Chemické složení očkovadla VP 216

Prvek Si Al Ca Mg CerMM Fe

Obsah prvků [%] 68 - 73 3,2 - 4,5 0,5 - 1,5 s.m. s.m. z.m.

Poznámka: s.m.- stopové množství; z.m.- zbývající množství.

40

III. etapa experimentů – bylo provedeno srovnání jednoho typu očkovadla s rostoucí dávkou očkovadla. Odlitky byly očkované očkovadlem CSF 10, u kterého se měnilo množství dávky od 0,2; 0,3; 0,4; a 0,5 hmot. % taveniny.

Chemické složení všech použitých očkovadel je pro názornost uvedeno v tabulce číslo 3.7

Tabulka 3.7 Chemické složení všech očkovadel Typ

očkovadla

Obsah prvků [%]

Si Ca Al Fe Sr La SE Mg ^CerMM

SB 5 65-70 1 -1,5 1-1,5 z.b. - - - - -

CSF 10 36-45 0,4-1,0 cca. 0,8 z.b. - - 9 -15 - -

VP 216 68-73 0,5-1,5 3,2 -4,5 z.b. - - - s.m. s.m.

Inoculin 920 45-50 Max. 2,5 Max. 1,5 - - 1,8 -2,2 - - -

Superseed 75 73-78 Max. 0,1 Max. 0,5 - 0,6 -1,0 - - - -

Poznámka: s.m.- stopové množství; z.m.- zbývající množství.

Výsledkem experimentu bylo porovnání struktury a mechanických vlastností v závislosti na typu a množství očkovadla.

3.3 Vyhodnocování vlastností odlitků

Hodnocení odlitků se provádělo v laboratořích Škoda Auto v Mladé Boleslavi a bylo rozděleno do pěti skupin:

a) Chemická analýza

b) Hodnocení tvrdosti podle Brinella c) Zkouška pevnosti mezi klíny

d) Metalografické hodnocení zkušebních odlitků e) Hodnocení velikosti zákalky

3.3.1 Chemická analýza prvků C a S spalovací metodou

Spalovací metoda byla použita pro určení uhlíku a síry v litině. Byla provedena na spalovacím analyzátoru CS-244 od firmy Leco pomocí keramických kelímků, kovové laboratorní lžičky a urychlovače Iron chip, nebo Lecorel^R II. Pro zkoušku

41

bylo potřeba pomocí metalografické pily struers discotom-2 nařezat z každého odlitku tenký plátek, který byl následně upnut do svěráku a pomocí kladiva se rozdrobil na malé části. Z každého plátku bylo vybráno 1 vzorek o hmotnosti 0,5 g (celkem tedy 10 vzorků). Každý z těchto vzorků, vložený v keramickém kelímku (společně s 1 g urychlovače), byl za přítomnosti proudícího kyslíku zahříván v indukční peci. Reakcí uhlíku a síry s kyslíkem, vznikly oxidy uhlíku a síry. Vzniklé oxidy putovaly do detekční jednotky, kde se provedla analýza. Po skončení analýzy byly informace o obsahu uhlíku a síře ve vzorku zobrazeny na příslušném panelu.

Výsledné hodnoty byly zaznamenány v následující tabulce číslo 3.8.

Tabulka 3.8 Výsledný obsah uhlíku a síry ve vzorku, pro odebrané vzorky Odlitek

číslo Typ očkovadla Dávka očkovadla

hmot.[%] C [%] S [%]

Hodnoty C a S pro I. etapu práce z tavby 392

1. neočkováno - 3,29 0,0690

2. Superseed 75 0,1 3,27 _0,0695

Hodnoty C a S pro II. etapu práce z tavby 116

3. VP 216 0,1 3,17 0,065

4. In 920 0,1 3,20 0,065

5. SB 5 0,1 3,19 0,065

6. CSF 10 0,1 3,20 0,064

Hodnoty C a S pro III. etapu práce z tavby 117

7. CSF 10 0,2 3,20 0,069

8. CSF 10 0,3 3,16 0,068

9. CSF 10 0,4 3,16 0,070

10. CSF 10 0,5 3,25 0,070

Hodnoty C a S získané spalitelnou metodou na odlitcích z taveb číslo 392, 116 a 117 můžeme porovnat s předpisem chemického složení a se složením jednotlivých taveb.

K zjištění složení jednotlivých taveb se z každé tavby odlil do měděné kokilky odlitek v podobě medaile. Díky rychlému ztuhnutí nám odlitek v podobě medaile tuhne metastabilně. Složení těchto medailí bylo zjištěno spektrální analýzou na

42

spektrometru Magallan Bruker Quatron. Předpis chemického složení a složení taveb je uvedeno v tabulce číslo 3.9.

Tabulka 3.9 Předpis chemického složeni pro litinu s lupínkovým grafitem a konečné složení litiny před odlitím a očkováním pro tavby číslo 392, 116 a 117.

Prvek Předpis chemického složení pro brzdový buben podle normy

TL 011

Složení tavby číslo 392 pro první

část práce

Složení tavby číslo 116 pro druhou

část práce

Složení tavby číslo 117 pro třetí

část práce Obsah prvků [%]

C 3,15 – 3,30 3,30 3,17 3,25

Mn 0,50 – 0,60 0,60 0,60 0,60

Si 1,75 – 1,90 1,81 1,81 1,82

P 0,00 – 0,15 0,027 0,058 0,53

S 0,05 – 0,10 0,068 0,065 0,065

Cr 0,20 – 0,30 0,25 0,22 0,22

Ti 0,00 – 0,10 0,01 0,013 0,012

Cu 0,55 – 0,65 0,60 0,61 0,60

Porovnáním výsledků chemického složení v tabulce číslo 3.9, ve které je počáteční složení všech taveb před odlitím bez očkovadla s předpisem chemického složení pro brzdový buben. Zjistíme, že složení všech taveb odpovídá předpisu chemického složení pro brzdový buben podle normy TL 011.

Srovnáme-li hodnoty C a S z tabulky číslo 3.9 a hodnoty C a S získané spalitelnou metodou z tabulky 3.8, která obsahuje konečné složení odlitku po očkování.

Dojdeme k závěru, že chemické složení se nám výrazně nemění a odpovídá rozmezí předpisu chemického složení pro brzdový buben podle normy TL 011.

43 3.3.2 Zkouška tvrdosti podle Brinella

Pro tuto zkoušku bylo pomocí metalografické pily struers discotom-2 nařezáno z každého odlitku 5 vzorků tak, aby byl vzorek z každé tloušťky odlitku. Po nařezání se vzorky pro měření tvrdosti obrousily na stolní brusce. Tím byly odstraněny případné nečistoty a zlepšila se hladkost povrchu. K měření tvrdosti odlitku o tloušťkách 25, 20, 15 a 10 milimetrů byl použit přístroj Wolpert dia testor, který je zobrazen na obrázku 3.5. K měření byla použita kulička z tvrdokovu o průměru 5 milimetrů, která byla zatížena silou 7355 N (750 kp) po dobu 15 sekund. U přístroje Wolpert dia testor se tvrdost měřila pomocí magnetického posuvného měřítka, které bylo propojeno s počítačem a kterým se měří dva na sebe kolmé průměry měřeného vtisku. Po naměření dvou na sebe kolmých hodnot vtisků se výsledná tvrdost zobrazila na monitoru počítače. Pro tloušťku materiálu 5 milimetrů byl použit tvrdoměr KPE 3000 s tvrdokovovou kuličkou o průměru 2,5 milimetrů se zatížením 1840 N (187,5 kp) po dobu 15 sekund. Kulička o průměru 2,5 milimetrů byla použita v tloušťce 5 milimetrů z důvodu dosažení minimální předepsané vzdálenosti mezi zkouškami. Tvrdoměr KPE 3000 nebyl připojen k počítači, proto se ze dvou na sebe kolmých hodnot průměrů, které jsou na obrázku 3.3, se vypočítala střední hodnota vtisku podle vztahu (3.1)

d= 2

2 1 d

d +

[ ]

kde je: d - střední průměr vtisku

[ ]

d1- je průměr vtisku číslo 1 v

[ ]

d2 -je průměr vtisku číslo 2 v

[ ]

Obr. 3.3 Zobrazení měření kolmých vtisků

44

Podle střední hodnoty vtisku se dohledala v přiložené tabulce výsledná tvrdost. Na každém nařezaném vzorku byla provedena 4 měření tvrdosti v místech, které jsou zobrazeny na obrázku 3.4 a jejichž vzdálenosti odpovídali normě.

Obr. 3.4 Vyznačená místa, kde byla prováděna zkouška tvrdosti

Z těchto 4 měření byl následně spočítán aritmetický průměr a vše bylo zapsáno do uvedených tabulek, z kterých se použily hodnoty aritmetických průměru k vytvoření grafu. Zkouška byla provedena podle normy ČSN EN ISO 6506-1, která popisuje metodiku zkoušky tvrdosti podle Brinella pro kovové materiály do tvrdosti 650 HBW. Naměřené hodnoty tvrdostí všech vyrobených vzorků jsou v tabulkách číslo 3.10 a 3.11. Na obrázku 3.6 je graf, který zobrazuje všechny na měřené tvrdosti.

45

3.3.2.1 Technické údaje o použitém stroji Wolpert dia testor

Zkušební zatížení: 187,5/250/500/750/1000/1500/2000/2500/3000 kp Minimální vzdálenosti mezi

zkouškami:

Připojení na síť:

Průměr podpěrného stolu:

Rozměry:

Průměry kuliček:

Hmotnost:

Pro pevnosti:

3/6 mm 220 V, 50 Hz 80 mm

1650 x 450 x 1050 mm 5 /10 mm

350 kg

1000 – 1500 N/mm²

Obr. 3.5 Přístroj pro měření tvrdosti Wolpert dia testor

3.3.2.2 Zápis hodnot zkoušky podle Brinella

Zkouška podle Brinella se zapisuje v tomto pořadí.

350 HBW 5/750/ 30

a) 350 - hodnota tvrdosti podle Brinella s označením HBW kde je použita kulička z tvrdokovu. Dříve používané značení HB nebo HBS se používalo pro ocelovou kuličku.

b) 5 - průměr kuličky v milimetrech

c) 750 - zkušební zatížení v kilopondech (1 kp = 9,80665 N)

d) 30 - čas zatížení je uveden, liší-li se od času normy což je 10 až 15 sekund

46

47

48