Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích •Moderní slévárenské •technologie Přednáška č. X: Doplnit název přednášky111 Přednášky pro studijní program Strojírenství Doc. Ing. Ladislav SOCHA, Ph.D. a kol. Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích •Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin Přednáška č. X: Doplnit název přednášky222 Přednáška č. 8 Rozdělení litin Přednáška č. X: Doplnit název přednášky333 Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin 3/23 Litiny Přednáška č. X: Doplnit název přednášky444 üLitiny tvoří největší podíl ze všech slévárenských slitin üVětšinu tvoří litina s lupínkovým grafitem (LLG) – asi 85 %, méně než 15 % litina s kuličkovým grafitem (LKG) a dále malé množství odlitků jiných druhů litin üV české republice je tento poměr odlišný, litina s kuličkovým grafitem představuje 20–35 % üOdlitky z LKG často nahrazují dražší odlitky z oceli ü üLitina s lupínkovým grafitem – LLG ØČastěji označovaná jako litina šedá ØObsahuje grafit ve formě prostorových útvarů připomínajících hlávku zelí, na výbrusu mají tvar lupínků ØVlastnostmi připomíná ocel – vysoká pevnost, tažnost, houževnatost üLitina s kuličkovým grafitem – LKG ØČastěji označovaná jako litina tvárná ØObsahuje grafit ve formě kuliček ØMezi vlastnosti LKG patří dobré kluzné vlastnosti, dobrá obrobitelnost, schopnost tlumit vibrace • • Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin 4/23 Ovlivnění krystalizace litin Přednáška č. X: Doplnit název přednášky555 üTvar a rozložení grafitu v litině má zásadní vliv na její mechanické vlastnosti üLupínkový grafit obvykle vzniká bez nutnosti metalurgického zásahu, pro získání litiny s kuličkovým grafitem jsou ale třeba metalurgické operace üZ hlediska mechanických vlastností je kuličkový grafit příznivější, LKG má podstatně vyšší mechanické vlastnosti než LLG ü ü ü ü ü ü ü ü ü üMezi možnosti zásahu do struktury grafitu patří mimopecní zpracování litin v podobě očkování a modifikace ü ü ü • Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin LLG LKG 5/23 Očkování Přednáška č. X: Doplnit název přednášky666 Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin üOčkování je jeden z hlavních způsobů mimopecního zpracování roztavené litiny (ovlivnění konečné struktury litiny v odlitku) üPodstatou očkování je vnášení takových látek do roztavené litiny, které vedou ke vzniku zárodků pro krystalizaci grafitu, nejedná se o přímé vnášení zárodků üČím větší je počet aktivních zárodků, tím dokonalejší je grafitizace üDůsledkem očkování je zmenšení sklonu ke vzniku zákalky, zjemnění grafitu a rovnoměrné vyloučení grafitu v celém odlitku üOčkování je velmi složitý proces ovlivněný řadou proměnných faktorů jako dodržování teploty, základního chemického složení, vhodného typu očkovadla, zrnitosti üPoužívá se k ovlivnění struktury základní kovové hmoty (u LKG – litiny s kuličkovým grafitem) a způsobu vyloučení grafitu ( u LLG – litina s lupínkovým grafitem, šedá litina) üVýznam očkování je větší, pokud jsou nepříznivé podmínky pro grafitizaci, tzn. rychlé ochlazování odlitku, důsledkem jsou špatné mechanické vlastnosti, nepříznivé slévárenské technologické vlastnosti a vysoká tvrdost üObecně platí následující požadavky na očkovadla: ØDobrá rozpustnost v tavenině ØObsah prvků, které zvyšují aktivitu uhlíku (Al, Si) ØObsah prvků, které mění mezifázové napětí zvýšením povrchového napětí taveniny (Ba, Ca, Zr) ü 6/23 Očkování – složení a princip působení Přednáška č. X: Doplnit název přednášky777 Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin üOčkovadlo je tvořeno nosičem a krystalizační složkou ü üNosič tvoří hlavní část hmoty očkovadla, nemá ale očkující účinek ØNejčastější jsou očkovadla na bázi slitin Fe-Si, přičemž samotná slitina Fe-Si nemá očkovací účinek a slouží pouze jako nosič ü üOčkovací složka je v očkovadle obsažena pouze v malém množství, aktivními prvky bývají zejména Ca, Al, Sr, Ba nebo Zr ØVýše zmíněné prvky reagují zejména s kyslíkem a sírou, s nimiž tvoří nukleační zárodky grafitu (ve ferosiliciu obvykle tuto úlohu plní většinou Ca a Al, oba prvky tvoří oxidy, které obalují jádro zárodku) ØJádro zárodku je tvořené oxidy (např. MgO-SiO2) nebo sulfidy (CaS, MgS, CeS) ØMéně používaná jsou uhlíková očkovadla, kde je aktivní složkou krystalický uhlík, jehož účinek je založen na mřížkové identitě s grafitem v litině. Tato očkovadlo obsahují ale i část Fe-Si, kterým se vnáší aktivní prvky Ca a Al ü ü ü Ø Ø Ø Ø • ü ü 7/23 Očkování – odeznívání očkovacího účinku Přednáška č. X: Doplnit název přednášky888 Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin üÚčinek očkovadla na krystalizaci grafitu je časově omezený, největší účinek je po naočkování a s časem odeznívá üOdeznívání může být způsobeno koagulací zárodků nebo také v důsledku chemické homogenizace taveniny (mizí oblasti s místním přesycením grafitotvorných prvků, které podporuje nukleaci grafitu) üNěkteré prvky (Ba, Sr) zpomalují rychlost odeznívání očkovacího účinku, viz obrázek üJak je vidět, při použití FeSi je odeznívání rychlé üPři použití Ba nebo Sr je odeznívání očkovacího účinku výrazně zpomaleno üObecně je taveninu nutné odlít co nejdříve po naočkování, obvykle do 10 minut • ü Ø Ø Ø Ø • ü ü 8/23 Druhy očkovadel Přednáška č. X: Doplnit název přednášky999 Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin üExistuje celá řada druhů očkovadel, mezi ty nejpoužívanější patří očkovadla na bázi křemíku: üNejběžnějším druhem je ferosilicium s obsahem kolem 65–75 % Si, 1–2 % Al a 0,2–1 % Ca üKomplexní očkovadla na bázi ferosilicia obsahují i další krystalizačně aktivní prvky, jejichž účelem je zlepšení očkovacího účinku, a to: ØSr (0,5–1,0 %) zvyšuje rychlost rozpouštění očkovadla i při nízkých teplotách, zaručuje dlouhodobý a velmi dobrý očkovací účinek i při nízkém dávkování ØBa (1–6 %) tvoří chemicky stálé zárodky s vysokou hustotou, prodlužuje dobu očkovacího účinku ØZr (1–6 %) má vysokou dezoxidační schopnost (snižuje obsah kyslíku v tavenině při výrobě oceli), váže dusík, čímž omezuje nebezpečí vzniku bublin ØMn (až 10 % Mn) zlepšuje rozpustnost očkovadla při nízkých teplotách litiny ØCe (0,5–1,0 %) v očkovadlech se používá pouze zřídka ØTi (až 10 %) používají se dosti zřídka a to pro očkování LLG a LVG (vermikulární litina), pro očkování LKG se nepoužívá jelikož zabraňuje vzniku kuličkového grafitu ü 9/23 Druhy očkovadel Přednáška č. X: Doplnit název přednášky101010 Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin üMimo očkovadel na bázi křemíku patří mezi známá očkovadla následující druhy: üOčkovadla na bázi uhlíku ØCca 30 % krystalického uhlíku a 40–50 % křemíku ØNemá účinek u litin s nízkým obsahem síry (nelze použít u LKG) ØHůře se rozpouštějí a proto je nutná vysoká teplota kovu (až nad 1450 °C) ØDávkují se do pánve v množství 0,4–0,8 % üSilikokalcium ØSilně dezoxidační a desulfurační účinek ØPro očkování litiny není příliš běžné ØOčkovací účinek i při velmi nízkém obsahu síry v litině, očkovací účinek velmi rychle odeznívá ØCca 30 % Ca a 65 % Si, dávkování 0,2–0,4 % üKarbid křemíku ØPoměrně nové očkovadlo, účinné i v krystalizačně nepříznivých podmínkách ØOčkovací účinek je dlouhodobý, zárodky se tvoří postupně, jelikož karbid křemíku se v litině kvůli vysoké tavicí teplotě neroztaví, ale postupně se rozpouští ØOčkovadlo obsahuje asi 85–90 % SiC, dávkování okolo 0,5 % ü ü ü ü ü ü Černý karbid křemíku - SiC | POLPUR Karbid křemíku Silikokalcium 10/23 Způsob očkování Přednáška č. X: Doplnit název přednášky111111 Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin üPodle typu očkovadla můžeme rozlišovat: ØOčkování tekutým očkovadlem (méně častý způsob) ØOčkování granulovaným očkovadlem (nejčastější způsob) – rozměr zrn od 0,2 mm až po 8–10 mm ØOčkování kompaktními tělísky vkládanými buď do licí jamky nebo do reakční komůrky ve vtokové soustavě ØOčkování plněnými profily Ø üHlavními metodami očkování jsou: ØOčkování v pánvi ─ očkovadlo s vhodnou zrnitostí se vhodí do licí pánve v průběhu nalévání kovu z pece nebo z transportní do licí pánve v době, kdy je již zakryté dno pánve taveninou, nemělo by se očkovat do prázdné ani plné pánve, jelikož nebude zajištěno rozpuštění a homogenizace. Zrnitost se volí podle objemu kovu (malé pánve od 2–4 mm; velké pánve do 30 mm). Tato metoda není velmi výhodná, mezi očkováním a litím je poměrně dlouhá doba, proto je třeba používat větší množství očkovadla (u LLG 0,2–0,4 %; u LKG 0,5–1,2 %) Ø Ø Ø Ø Ø Ø ü ü ü ü ü ü ü 11/23 Způsob očkování Přednáška č. X: Doplnit název přednášky121212 Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin üHlavními metodami očkování jsou: ØOčkování do proudu kovu – používá se zejména při odlévání pomocí automatických licích zařízení. Očkovadlo s malou zrnitostí (okolo 1 mm) se kontinuálně fouká pomocí trubky do proudu kovu, který vytéká z pánve do formy nebo do mezipánve. Používá se především u LLG, dávkování 0,1–0,2 % FeSi ØOčkování plněným profilem – očkovadlo je jemně drcené a obsažené v dutém tenkostěnném ocelovém profilu (průměr 9 nebo 13 mm), je žádoucí, aby se stěna profilu tavila na dně pánve, což je řízeno rychlostí posunu profilu, která je závislá na teplotě taveniny. Složení očkovadla se volí podle slévárny a výrobce. Dávkování pro LLG je 0,1–0,2 % a pro LKG 0,2–0,4 % Ø Ø Ø • Ø Ø Ø Ø Ø ü ü ü ü ü ü ü Očkování plněným profilem do pánve Plněný profil Očkování do proudu kovu 12/23 Způsob očkování Přednáška č. X: Doplnit název přednášky131313 Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin üHlavními metodami očkování jsou: ØOčkování očkovacími tělísky – Očkovadlo na bázi Fe-Si má tvar tělísek, ty se usazují na dno licí jamky, pod vtokový kůl nebo do filtru (viz obrázek). Velikost tělíska se volí podle množství kovu ve formě, dávkování 0,05–0,1 % Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø ØOčkování ve formě – metoda In mold – dávkování očkovadla do speciální komůrky, která je předformovaná ve vtokové soustavě. Kov při lití touto komůrkou protéká a postupně rozpouští očkovadlo. Tato metoda je vhodná pro hromadnou výrobu. Ø Ø Ø Ø ü ü ü ü ü ü ü Očkování očkovacími tělísky: a) ve vtokové jamce; b) na filtru 13/23 Kontrola očkovacího účinku Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin üOčkovací účinek je možné kontrolovat: ØHloubkou zákalky – zákalková zkouška je nejvhodnější kontrolou očkovacího účinku, je rychlá a nenáročná. Princip spočívá v odlití vzorku do zkušební formy, přelomení ztuhlého vzorku a změření hloubky zákalky (zákalka = bílé tuhnutí; tuhnutí grafitu ve formě cementitu) Ø ØPomocí křivek ochlazování – založeno na vyhodnocení teplot a tvaru křivky v oblasti tuhnutí eutektika, čím lepší je očkování, tím menší je přechlazení Ø ØPodle počtu eutektických zrn ü Ø Ø Ø ü ü ü ü ü ü ü Zákalková zkouška Změna průběhu křivky ochlazování po naočkování litiny Zákalka 14/23 Modifikace Přednáška č. X: Doplnit název přednášky151515 Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin üModifikací rozumíme ovlivnění tvaru grafitu při jeho krystalizaci tak, že z lupínkového grafitu dostaneme pomocí modifikátoru grafit kuličkový üModifikací se podstatně mění užitné i fyzikální vlastnosti (jako tepelná vodivost, koeficient tepelné roztažnosti, korozivzdornost, možnost svařování, obrábění atd.) üTeorie modifikace: ØPři modifikaci dochází k vypařování hořčíku, ten se dostává do atomárního stavu a adsorbuje se na plochách stávajícího krystalu grafitu a tím mění rychlost růstu krystalových ploch ØPři modifikaci probíhá dezoxidace, odsíření, odplynění taveniny = rafinace, čímž se dosáhne změn fyzikálních vlastností taveniny a ovlivnění růstu grafitu ØPři modifikaci se mění nukleační podmínky grafitizace, zvyšuje se podchlazení Ø üV současnosti se jako modifikátor používá hutnicky čistý Mg (99,5 %) nebo předslitiny Mg üVzhledem k bouřlivé reakci hořčíku se většinou modifikuje předslitinami hořčíku üPáry hořčíku probublávají ode dna taveninou, Mg přitom reaguje se sírou a kyslíkem a tvoří chemické sloučeniny (často i s křemíkem), které se označují jako sekundární struska. Pouze ta část hořčíku, která zůstane rozpuštěná v tavenině se podílí na vzniku kuličkového grafitu, tato část se označuje jako zbytkový hořčík, jeho obsah musí být větší než 0,3 %, ale neměl by být zbytečně vysoký (u tenkostěnných odlitků stačí okolo 0,3 %, u silnostěnných odlitků musí být vyšší – 0,045–0,06 %) ü Ø ü 15/23 Technologie modifikace Přednáška č. X: Doplnit název přednášky161616 Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin üJe patentováno na 200 způsobů přidávání modifikátoru, provozní využití představuje asi 40 až 50 způsobů výroby LKG • üPožadavky na modifikace: Øspolehlivost Øhospodárnost Ønízká nákladovost Øekologické podmínky Ø üZpůsoby modifikace: ØPolévací ØPonořovací ØKonvertorové ØKontinuální ØPlněnými profily Ø Ø • • 16/23 Metody modifikace – metoda SANDWICH Přednáška č. X: Doplnit název přednášky171717 Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin üModifikace se provádí v otevřené pánvi, v jejímž dně je komůrka provedená jako prohlubeň üModifikace se provádí jednostupňově üDochází ke ztrátě teploty 30–50 K; využití Mg je 40–50 %, ztráty uhlíku 0,05–0,1 % üPostup: ØNa dno komůrky se uloží dávka předlitiny Mg ØNa předslitinu se uloží dávka očkovadla FeSi ØOčkovadlo se překryje ocelovým plechem nebo plechovými odstřižky (brání vyplavání) ØNalitý kov musí nejprve protavit plech, tak se oddálí reakce hořčíku ØPřed roztavením ocelového plechu dojde k zaplnění pánve a tlak sníží bouřlivost reakce ØČasto se používají vysoké a štíhlé pánve, aby byl metalostatický tlak litiny co největší a bouřlivost reakce co nejmenší ØLitina se lije mimo komůrku s modifikátorem Ø ü ü • Ø • • Pánev pro metodu SANDWICH 17/23 Metody modifikace – metoda TUNDISH Přednáška č. X: Doplnit název přednášky181818 Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin üMetoda TUNDISH • ØZdokonalená metoda SANDWICH ØPánev opatřena víkem s nalévacím otvorem ØNa víku je licí bazén dostatečně velký, aby bylo možné při nalévání udržet hladinu kovu ØPředslitiny se ukládají do komůrky ve dně nebo do komůrky, která je tvořena příčkou ØOtvor ve víku je tvořen tak, aby kov padal mimo komůrku ØDíky víku se sníží teplotní ztráty oproti metodě SANDWICH a využití hořčíku je větší (60–70 %) ØJedná se o nejpoužívanější polévací metodu Ø ü ü • Ø • • Pánev pro metodu TUNDISH Welcome to Weihai Gongyou Foundry Machinery CO., LTD 18/23 Metody modifikace – modifikace ze sferoklávu Přednáška č. X: Doplnit název přednášky191919 Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin üModifikace za zvýšeného tlaku üJedná se o metodu ponořovací üDíky tomu je možné používat i předslitiny s vyšším obsahem hořčíku (15–25 %) nebo i čistý hořčík üVyužití Mg v rozmezí 60–80 % üNevýhodou jsou značné provozní i investiční náklady üPostup: ØModifikační pánev se zaveze do nádoby sferoklávu ØSferokláv je opatřený odklopným víkem, kterým prochází ponořovací tyč se zvonem ØPři uzavření víka dojde ke zvýšení tlaku na 0,4–1,0 MPa ØZvon s předslitinou a očkovadlem se ponoří ke dnu ØKvůli vysokému tlaku se hořčík vypařuje pomaleji, regulací tlaku lze řídit i bouřlivost reakce Ø • Ø ü ü ü • Ø • • Schéma sferoklávu 19/23 Metody modifikace – modifikace v konvertoru +GF+ Přednáška č. X: Doplnit název přednášky202020 Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin üVe světě velmi rozšířená metoda üMechanismus lití je založen na poměru tlaku hořčíkových par v reakční komůrce a metalostatického tlaku v otvorech üVyužití hořčíku 50–70 % üPostup: ØModifikace probíhá v nádobě konvertoru, ta je sklopná podle příčné osy ØNádoba je na horní straně opatřena nalévacím otvorem a na boční straně dna je modifikační komůrka ØKomůrka je tvořena grafitovou deskou v níž je několik otvorů, které spojují komůrku a hlavní část nádoby ØDo komůrky se vkládá samostatným a uzavíratelným otvorem modifikační látka – čistý hořčík ØK plnění konvertoru litinou dochází ve vodorovné poloze ØPo nalití je konvertor otočen do svislé polohy a kov se otvory dostane do komůrky s hořčíkem ØModifikovaná litina se vyleje do připravené pánve ü Ø • Ø ü ü ü • Ø • • 20/23 Metody modifikace – modifikace plněným profilem Přednáška č. X: Doplnit název přednášky212121 Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin üStejný postup jako při očkování plněným profilem üModifikační drát mívá průměr 5–13 mm üSložení náplně se liší podle výrobce/požadavků slévárny üNáplň často tvořena 13–25 % Mg, 20–40 % Si, 10–20 % Ca, 1 % kovy vzácných zemin, zbytek Fe üMnožství modifikovadla se dávkuje délkou profilu, která se nastaví na podavacím zařízení üRychlost podávání musí být taková, aby k reakci docházelo u dna pánve, ale aby se profil nezabodával do dna üVýhodou je operativnost a možnost provedení domodifikování i během odlévání üNevýhoda je vysoká cena profilu ü Ø • Ø ü ü ü • Ø • • 21/23 Metody modifikace – metoda IN MOLD Přednáška č. X: Doplnit název přednášky222222 Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin üOdstraňuje nevýhodu omezené doby mezi modifikací a litím, modifikace probíhá samostatně v každé formě üVyužití hořčíku je 60–80 % üTato metoda se využívá pouze ve slévárnách s hromadnou výrobou, vysokým stupněm automatizace a kontroly výroby, většinou se jedná o automobilky üPostup ØK modifikaci dochází ve speciální modifikační komůrce ØDo komůrky se vsype přesně odměřená dávka předslitiny FeSiMg s obsahem Mg 3–5 %, neočkuje se ØK modifikaci dochází v průběhu lití ØStrusku je nutné zachycovat v části vtokové soustavy, která leží za komůrkou (např. pomocí filtrů) ØMnožství strusky je dáno obsahem síry ve výchozí litině ØV komůrce musí docházet k postupné reakci po celou dobu lití Ø • Ø Ø • • Ø Ø • Ø ü ü ü • Ø • • 22/23 Použitá literatura Přednáška č. X: Doplnit název přednášky232323 Přednáška č. 8: Charakteristika metalurgických pochodů výroby a mimopecní zpracování litin üVONDRÁK, Vladimír, Jiří HAMPL a Aleš HANUS. Metalurgie litin: mimopecní zpracování roztavené litiny (očkování, modifikace). Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava, 2005. ISBN 80-248-0777-7. üROUČKA, Jaromír. Metalurgie litin. Brno: PC-DIR, 1998. Učební texty vysokých škol. ISBN 80-214-1263-1. üGeorg Fischer converter process. Giessereilexikon [online]. Dostupné z: https://www.giessereilexikon.com/en/foundry-lexicon/Encyclopedia/show/georg-fischer-converter-proce ss-4255/?cHash=7e0a58206605f39d7d0922b9d6e0a146 ü 23/23