Disertační práce
Kap. 4: Litiny

  
4. Litiny

4.1. Úvod
Ve strojírenském průmyslu je kov, pro své široké rozmezí fyzikálních a mechanických vlastností, stále nejčastěji používaným materiálem. V současné době více než 90 % veškeré kovové produkce je tvořeno produkty železa a jeho slitin. Výrobky z těchto materiálů mohou být tvořeny mnoha různými technologiemi, mezi které také nenahraditelně patří i slévárenská výroba. 
Z celé produkce odlitků lze materiály na odlitky rozdělit na grafitické litiny, oceli na odlitky a slitiny hliníku a neželezných kovů. [32].
I přes vynikající vlastnosti grafitických litin je jejich využití v České republice daleko méně významnější než využití ve vyspělých zemích Evropy. Mnoho českých konstruktérů si dosud plně neuvědomilo závažnost a možností využití litin a považují litiny za materiály, jejichž zlatý věk již skončil. Přitom dnes litiny tvoří velmi rozsáhlou skupinu strojírenských materiálů s velmi širokou škálou dosažitelných vlastností, které v řadě ohledů předčí i ocel [33].

V dnešní době se ještě velmi často vyrábějí odlitky metodou pokusu a omylu. Tento postup je však vzhledem ke stále rostoucí konkurencí zcela zastaralý a nevyhovující. Proto je třeba zavádět do výroby nejnovější poznatky a nové moderní metody využívající výpočetní techniky. Moderním a spolehlivým prostředkem pro optimalizaci výrobního procesu litých součástí je počítačová simulace tuhnutí odlitků. Simulací je možné ještě před odlitím prvního kusu předpovědět vlastností daného odlitku. A to zejména vlastnosti technologické (vznik staženin a jiných vad, časy tuhnutí a chladnutí odlitku), mechanické (vnitřní pnutí, pevnost, tvrdost) a v neposlední řadě nám umožňuje predikci struktury odlitku v daných místech. Díky počítačové simulace dochází k ušetření času, energie, materiálu a především lidské práce. Nabízí se nám tak cesta výroby odlitků beze zmetků, což vede k dalšímu snižování nákladů a tím i schopnost boje s konkurencí.

4.2. Definice litin
Vzhledem k tomu, že materiálem na kterým byla prováděny experimentální práce byla z velké části litina, uvádím zde na úvod její základní rozdělení a charakteristiky. 
Jako litiny označujeme slitiny železa s uhlíkem, křemíkem a dalšími přísadovými prvky, které tvoří ve struktuře eutektikum. Obsah C převyšuje jeho mezní rozpustnost v austenitu za eutektické teploty. Vedle vyššího obsahu C litiny obsahují i vyšší množství příměsí. Zejména Si, manganu (Mn), fosforu (P) a síry (S), než-li je tomu u oceli. K nejdůležitějším přísadám patří Si, pohybující se v rozmezí 0,3 - 4 %.
Základním kriteriem pro určení druhu litin je zejména tvar vyloučeného grafitu. Názvy jednotlivých druhů litin, značky a číselné označení zde uvedené, respektují normu ČSN EN 1560.

Podle tvaru grafitu se dělí litiny na následující třídy:
1) Litiny s lupínkovým grafitem - GJL (LLG)
Dříve nazývané jako šedé litiny, obsahují grafit ve tvaru prostorových útvarů, které se na metalografickém výbrusu jeví jako lupínky. Jejich délka je podstatně větší než-li jejich tloušťka, konec lupínků je ostrý. Oblast připadající jednomu prostorovému útvaru se nazývá eutektická buňka. Tento typ litiny je nejobvyklejším typem litiny.
2) Litina s kuličkovým grafitem - GJS (LKG)
Dříve nazývaná jako litina tvárná, obsahuje grafit ve formě kuliček. Z hlediska vlastností litiny je ideálním tvarem dokonalá kulička grafitu. Často se však vyskytují podoby grafitu jako "nedokonale zrnitý". Eutektická buňka je oblast příslušející právě jednomu útvaru grafitu - jedné kuličce.
3) Litina s červíčkovým grafitem - GJV
Dříve nazývaná jako litina vermikulární. Červíčkový grafit má podobnou morfologii jako grafit lupínkový. Ve srovnání s GJL jsou však útvary grafitu kratší, tlustší a jejich konec bývá zaoblený. Vermikulární litina obvykle obsahuje též určité množství lupínkového nebo kuličkového grafitu.
4) Temperovaná litina - GJM
Se dělí na litinu s bílým lomem GJMW a s černým lomem GJMB. Grafit v litině s černým lomem, případně i v litině s bílým lomem má tvar vloček [34].

Tvar a rozložení grafitu mají zásadní vliv na mechanické vlastnosti litin. Samotný grafit má velmi malou pevnost. Proto grafit tím, že zmenšuje nosný průřez základní kovové hmoty, snižuje pevnost litiny. Současně na koncích útvarů grafitu dochází ke koncentraci napětí - grafit působí vrubovým účinkem. Čím ostrohranější je zakončení útvarů grafitu, tím větší je vrubový účinek. 
Z tohoto hlediska je nejméně výhodný lupínkový grafit, naopak nejpříznivější je grafit kuličkový. Proto má litina s kuličkovým grafitem podstatně vyšší mechanické vlastnosti, než litina s lupínkovým grafitem. Litina s červíkovým a vločkovým grafitem svými vlastnostmi leží mezi těmito krajními body. 
Grafit je krystalická forma uhlíku, krystalizuje v hexagonální soustavě s mřížkovými parametry 0,264 a 0,691 nm. Poloměr atomu je 0,077 nm. Základny mřížky se nazývají bazální roviny. Směr růstu grafitu v bazálních rovinách se označuje "a" [1010]. Při vytváření nových bazálních rovin se jedná o růst ve směru "c" [0001]. Obvod šestihranu tvoří prismové roviny [35].
Hustota grafitu se udává 2220 kgm-3. Teplota tání je 3700 +/- 1000C. Grafit má velmi dobrou tepelnou vodivost. Pevnost a tvárnost jsou nepatrné.

4.3. Litina s kuličkovým grafitem
Vlastnosti odlitku z grafitické litiny jsou určeny jednak vlastnostmi kovové matrice, jednak tvarem, rozložením a množstvím grafitu, jež je určujícím strukturním znakem pro rozdělení grafitických litin na jednotlivé druhy, protože zvlášť významným způsobem ovlivňuje jejich vlastnosti. Grafitická litina u níž je po ztuhnutí vyloučen grafit ve tvaru kulových zrn se nazývá tvárná litina nebo podle tvaru zrn, litina s kuličkovým grafitem [36].
V normách ČSN jsou uvedeny třídy litin s kuličkovým grafitem označené 42 2303, 42 2304, 42 2305, 42 2306 a 42 2307, které se vyznačují pevností v tahu 370, 420, 500, 600 a 700 MPa, jakož i tvrdostí podle Brinella v celkové rozmezí 140 až 300 HB. Litina s kuličkovým grafitem může mít matrici perlitickou nebo feritickou. Perlit převládá ve stavu po odlití, tato litina se vyznačuje vyšší pevnosti v tahu (500 až 650 MPa), menší tažnosti (3 až 5 %) a tvrdostí 230 až 280 HB.
V současnosti dochází k přeměně původních norem ČSN 42 2303 - 08 na normy ČSN EN 1563 - viz. tabulka 2. 

4.4. Krystalizace litin
U litin je vznik příslušných struktur vysvětlován rozborem přeměn, které probíhají při jejich tuhnutí a následném ochlazování. Průběhem tuhnutí taveniny je dána i následná chemická nehomogenita matrice a to zejména u litin s vyšším podílem přísadových prvků.
Tuhnutí litin obsahuje dva po sobě jdoucí procesy - krystalizaci primární fáze a eutektickou fázi krystalizaci. Krystalizace eutektika není pokračováním krystalizace primární fáze, nýbrž se jedná o zcela samostatný proces, který je ovšem primární fázi ovlivněn - např. vymezením prostoru pro vznik eutektika, obohacením zbylé taveniny o minoritní prvky v důsledku segregace z primární fáze apod. Každý z těchto krystalizačních dějů je zahájen nukleaci příslušné fáze a jejím následným růstem.
Každý z těchto procesů se sestává z nukleačního a růstového procesu, které jsou pozorovatelné na křivce chladnutí. Například typickou křivku chladnutí pro litinu s lupínkovým grafitem podeutektického složení je na obr. 6. Křivka chladnutí zaznamenaná během tuhnutí je přímou odezvou na změnu teploty termočlánky, která je ovlivněna latentním teplem vyvíjeným během tuhnutí a rozptylem tepla ve formě [35].
Krystalizace litiny s kuličkovým grafitem probíhá ve třech stádiích: 
Nejprve začíná vylučování prvních krystalů austenitu z taveniny a volný růst grafitu v tavenině na vhodném zárodku a vytváří sferulity vyrůstající ze společného zárodku. Přitahuje k sobě uhlík a vytěsňuje železo, popřípadě i v něm rozpuštěné prvky, do taveniny. Vrstva taveniny kolem zrna grafitu má velký sklon k tuhnutí, neboť je vlivem sníženého obsahu uhlíku silně konstitučně přechlazena a v určitém stadiu růstu z ní vznikne austenitická obálka zrna grafitu. Její tloušťka závisí na rychlosti tuhnutí. Při pomalém tuhnutí může uhlík difundovat ze vzdálenějších míst taveniny a ochuzená vrstva (austenitická obálka) se vytvoří později, tím je umožněn vznik relativně velkých zrn grafitu. Jako zárodky slouží krystalograficky vhodné cizí částice. Tak se vytvoří austenitické obálky kolem zrn grafitu, které se obohatí grafitotvornými prvky.

Za eutektické teploty dosáhne austenit mezní koncentrace, je v rovnováze s taveninou a probíhá eutektická přeměna, při které se tvoří stabilní eutektikum ve tvaru buněk, v jejichž středu roste z krystalizačních zárodku zrno grafitu. Vznikající eutektická směs austenitu a eutektického grafitu se nazývá grafitické eutektikum a vyplňuje prostor mezi primárně vzniklými dendrity austenitu.

Poté začíná druhé stádium eutektické krystalizace. V něm se růst grafitu značně zpomalí, neboť je umožněn pouze difúzními přesuny atomů uhlíku z taveniny přes austenitickou obálku, která se za těchto podmínek také málo zvětšuje. Při velkém počtu grafitotvorných zrn a malé vzdálenosti mezi nimi je v tomto stadiu dokončeno celé tuhnutí. 
Vytvoří-li se však vlivem metalurgických faktorů nebo vlivem velkého průřezu odlitku malý počet grafitových zrn značně od sebe vzdálených, je třeba počítat ještě s třetím stádiem tuhnutí, během něhož vykazuje austenitická obálka silný růst. To vede k dalším přesunům přísadových prvků - grafitotvorných z taveniny do austenitu a karbidotvorných postupně do zbývající taveniny. 
Po ukončení eutektické krystalizace probíhá další ochlazování, kdy dochází k postupným přeměnám, které se týkají hlavně základní kovové hmoty. Mezi eutektickým a eutektoidním intervalem teplot se z austenitu vylučuje uhlík a jako sekundární grafit se připojuje na již existující částice eutektického nebo i primárního grafitu. 
Za konstantní teploty probíhá eutektoidní přeměna, kdy se austenit mění na ferit a grafit a to podle rovnováhy stabilní (za vzniku základní feritické kovové hmoty), metastabilní (za vzniku perlitické základní kovové hmoty), nebo z počátku přeměny dle stabilní a v dalším průběhu podle metastabilní (vzniká tak feriticko-perlitická základní kovová hmota). V technické praxi se u litiny s kuličkovým grafitem vyskytuje po odlití většinou základní kovová hmota feriticko- perlitická nebo perlitická. 

Z hlediska mechanických vlastností je u všech typů litin výhodný jemnozrnný grafit, vyloučený ve formě drobných lupínků nebo kuliček. Zejména přítomnost hrubých lamel grafitu významně snižuje mechanické vlastnosti litiny. 
Dispersita grafitu se hodnotí metalograficky. Velikost lupínků se hodnotí její délkou, dispersita kuličkového grafitu podle kuliček na mm2 plochy výbrusu. Vyhodnocení se provádí obvykle opět pomocí etalonů, uvedených v normě.

Ukazuje se, že teorie usměrněného odmíšení přísadových prvků v ternárních slitinách Fe-C-Si, vypracovaná původně pro dendritickou segregaci v ocelích, platí i pro pochody probíhající v LKG, zde jsou však složitější. Bylo rovněž analyzováno rozložení přísadových prvků v matrici nelegované a nízkolegované LKG v průběhu eutektické přeměny, kdy dochází k odměšování přísad podle jejich vztahu k uhlíku. Rozsah chemické mikronehomogenity ovlivňuje také i nerovnovážnou transformaci přechlazeného austenitu, neboť pro takto ovlivněná místa platí různé typy IRA a ARA diagramů. 

4.5. Modely popisu procesu nukleace
Nukleaci se rozumí vytvoření zárodků, na nichž může pokračovat růst nové fáze. K nukleaci zárodků nové fáze dochází při takovém přechlazení, při němž hodnota Gibsovy energie DG (označující se rovněž jako volná enthalpie) je dostatečná buď k vytvoření vlastních stabilních zárodků - homogenní nukleace, nebo k nukleaci na zárodcích cizích - heterogenní nukleace. Homogenní nukleace je jev velmi energeticky náročný a může k němu docházet jen při velkém přechlazení - T = až 0,33 Tkr. Proto ve skutečnosti dochází k nukleaci téměř výhradně mechanismem heterogenním.
Naše vnímání tohoto procesu je však doposud značně omezené. Současné matematické modely rozšiřují stávající jednoduché teorie o homogenní nukleaci na nukleaci heterogenní. Ta je dána hodnotou volné energie taveniny G1 za teploty T pod rovnovážnou teplotou solidu - likvidu TE, při které se z jednotlivých atomů tvoří pevná fáze. Volná energie této nové konfigurace je dána dle [35].

4.6. Teplotní analýza jako test kontroly kvality
Vzájemný vztah mezi charakteristikami křivky chladnutí a výslednou mikrostrukturou vzorku poskytuje rychlý a kvalitní kontrolní test, který lze rychle aplikovat na různé případy vlastností taveniny železa ve slévárenství.
Tuhnutí litin obsahuje dva po sobě jdoucí procesy - primární a eutektickou fázi tuhnutí. U každého z těchto procesů probíhají nukleační a růstové procesy, které jsou pozorovatelné na křivce chladnutí, neboť tato křivka během tuhnutí zaznamenává přímou odezvu na změnu teploty termočlánků. Je ovlivněna latentním teplem vyvíjeným během tuhnutí a rozptylem tepla ve formě. Změny ve způsobu tuhnutí jsou reflektovány změnou na křivce chladnutí.
Křivka chladnutí pro litinu s kuličkovým grafitem je znázorněna na obr. 8. Když je tavenina odlitá z licí teploty do formy, probíhá souvislé chladnutí až na teplotu likvidu TL. Během dalšího chladnutí je uvolňováno latentní teplo a tavenina neustále chladne až do teploty eutektické nukleace TEN. Nukleace je započata tvorbou eutektických buněk mezi dendritickými rameny v místech uhlíkem obohacené taveniny. Od tohoto okamžiku dochází k růstu dané fáze, které je doprovázeno vzrůstajícím uvolňováním latentního tepla až do teploty přechlazení TEU. V důsledku zvětšujícího se přechlazení mezi teplotami TEN a TEU se v tomto intervalu aktivují další (menší) zárodky. Za bodem TEU se již počet zárodků dále nezvyšuje. Růst fází je již méně energeticky náročný, než jejich nukleace, proto růst probíhá při menším přechlazení a teplota kovu se zvyšuje na teplotu rekalescence TER. Jakmile se eutektické tuhnutí blíží ke konci, dochází opět k uvolňování latentního tepla a teplota postupně klesá. Tuhnutí je ukončeno při teplotě TEE, což je teplota konce eutektické krystalizace [39].

                                                                             Stáhnout PDF soubor s kap 1 - 4 (3,7 MB)

Předcházející kapitola: 3. Literární rozbor

Následující kapitola: 5. Matematický popis dějů v litinách
      

Upozornění: Pokud použijete část z moji disertační práce, dodržujte Autorský zákon a dbejte na správnost citací

Pozor: uvádím zde staré (dnes již neplatné) značení dle ČSN