Vlastislav Otáhal

Vady odlitků

Atlas Vad Železné a neželezné slitiny

Předložená práce podléhá autorským právům a nesmí být kýmkoliv rozmnožována a poskytována dalším subjektům

Technicko-ekononomické poradenství MetalCasting and Foundry Consult

Otáhal Vlastislav Brno, Horská 27

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

2

úvod

Vady odlitků jsou, jako u každého jiného výrobku, nejen z ekonomických, ale i řady dalších důvodů, naprosto nežádoucím projevem výrobního procesu. Vady odlitků jsou pochopitelně užším segmentem celkové problematiky výroby odlitků avšak přesto je literatura zabývající se tímto tématem velmi rozsáhlá a s rozvojem a zdokonalováním výrobních metod, ale i kvalitativních ukazatelů konečného odlitku, se stále rozrůstá.

Práce je určena pracovníkům sléváren železných a neželezných slitin, metalurgům a tavičům, ale i technologům a studentům středních a vysokých škol se slévárenským, případně strojírenským zaměřením a odborům kontroly jakosti ve slévárnách a strojírnách. Navazuje na práce /1, 2/.

Výchozím bodem a základním pomocníkem ke správné diagnostice vad odlitků je systém klasifikace vad. Prakticky první soubornou prací o vadách odlitků všeobecně, vycházející z jejich klasifikace (neuvažujeme-li práce britské BCIRA z let 1946 až 1961), bylo „Album slévárenských vad „vydané v roce 1952, pod redakcí G. Hénona a C. Mascré, na základě sběru a souhrnu poznatků a dat o vadách odlitků členy l´Association Technique de Fonderie (AFT) ve Francii /3/, a jeho překlad vydaný v roce 1955 v Německu společností německých slévačů Verein Deutscher Giessereifachleute (VDG) /4/. Tato vydání pak byla v roce 1965 pod vedením ICFTA (International Committee of Foundry Technical Association ), VDG a ATF revidována a vydána jako základní publikace o názvu „International atlas of Casting defects“ (Mezinárodní atlas vad odlitků), která zaznamenala řadu, prakticky nezměněných vydání v různých jazycích /na příklad 5/.

„Atlas“ je rozdělen do čtyřech částí:

Klasifikace - (vady jsou zachyceny schematicky a uspořádány tabelárně do skupin A až G s číselnými podskupinami od A 111 až G 264) *; Každá kategorie je rozdělena do skupin a podskupin, které jsou označeny čísly, z nichž poslední, třetí číslo označuje příslušnou vadu. Zjištěná vada se vyhledá v této první tabulkové části podle

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

3

Tab.1.1b – Seznam tříd, skupin a vad odlitků / 22/;

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

4

obsah

I. Úvod 2 Literatura 10 II. Obsah 11 III. 100 – Vady tvaru, rozměrů a hmotnosti 14 110 - Chybějící části odlitku bez lomu 21 111 – Nezaběhnutí 21 112 – Nedolití 28 113 - Vytečený kov 29 114 - Špatná oprava formy 34 115 - Přetryskaný odlitek 37 116 - Omačkání, potlučení, pohmoždění 37 117 - Nesprávně upálený, odřezaný a obroušený odlitek 43 120 - Chybějící části odlitku s lomem 37 121 - Ulomení části odlitku za tepla 37 122 - Ulomení části odlitku za studena 37 123 – Vyštípnutí 38 130 - Nedodržení rozměrů 44 131 - Špatný (vadný model) model 45 132 – Přesazení 46 133 - Nevyhovující rozměry 51 134 - Zborcení, Deformace 58 140 - Nedodržení hmotnosti odlitku 61 Literatura 61 IV. 200 – Vady povrchu 62 210 Připečeniny 69 211 - Drsný povrch 69 212 - Povrchové připečeniny 78 213 - Zapečeniny - hluboké (za)připečeniny 81 220 – Zálupy 102 221 - Zálupy na horní ploše 106 222 - Zálupy na dně formy 111 223 - Zálupové síťoví 114 224 – Nátěrové zálupy 116 230 – Nárosty 117 231 – Vybouleniny 117 232 - Odření, shrnutí 120 233 - Utržení, sesutí 122 234 – Eroze 128 240 – Výronky 132 250 – Výpotky 138 260 – Zatekliny 139 261 - Zatekliny způsobené netěsnosti 140 262 - Prasklé jádro 141 263 - Prasklá forma 143 270 - Nepravidelnosti povrchu odlitku 145 271 - Pomerančová kůra 145 272 - Zvrásněný povrch 149 273 – Neštovice 153 274 - Okuje, opálení 154 275 – Krupička 157 276 - Dolíčková a kanálková koroze 158 277 - Chemická koroze 159

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

5

280 - Vady povrchové ochrany odlitku 160 Literatura 161 V. 300 - Porušení souvislosti 163 310 – Trhliny 168 311 - Povrchové (otevřené) trhliny 171 312 - Podpovrchové trhliny 178 313 - Vnitřní trhliny 179 320 – Praskliny 185 330 - Porušení souvislosti z důvodu mechanického poškození odlitku 188 331 - Lom za tepla 188 332 - Lom za studena 188 340 - Porušení souvislosti z důvodu nespojení kovu 189 341 – Zavaleniny 189 342 - Nedokonalý svar 199 Literatura 199 VI. 400 – Dutiny 200 410 – Bubliny 206 411 - Bubliny způsobené kyslíkem 207 412 - Bubliny způsobené vodíkem 208 413 - Bubliny způsobené dusíkem 210 413.1–Bubliny způsobené vodíkem a dusíkem 213 414 –Zahlcený plyn 231 415 –Síťkovité bubliny 232 420 – Bodliny 233 430 – Odvařeniny 238 431 - Odvařeniny od formy 239 432 - Odvařeniny od chladítek a zalévaných předmětů 244 433 - Odvařeniny od vměstků 245 440 – Staženiny 246 441 - Otevřené staženiny 248 442 - Vnitřní uzavřené staženiny 251 443 – Řediny 258 444 - Staženiny (řediny) od jader nebo ostrých hran formy 263 445 - Povrchová propadlina 266 446 - Plynové staženiny 168 Literatura 270 VII. 500 – Makroskopické vměstky a vady makrostruktury 271 510 – Struskovitost 277 511 Struskovitost exogenní 284 512 Struskovitost sekundární 292 520 – Nekovové vměstky 308 521 - Zadrobeniny 309 522 - Rozplavený písek 313 523 - Odpadnutý nátěr 315 524 - Oxidické pleny 317 525 - Grafitové (uhlíkové) pleny 321 526 - Černé skvrny 323 530 –Makrosegregace a vycezeniny 326 531 - Gravitační odmíšení 326 532 - Makroodmíšení 327 533 - Stvolové vycezeniny 330 534 - Mezerové vycezeniny 334 540 – Broky 335 550 – Kovové vměstky 337 560- Nevyhovující lom 339 561 – Kamenitý (lasturový) lom 341 562 – Břidličnatý lom 341 563 – Fasetový, dendritický lom 342 Literatura 342 VIII. 600 – Vady mikrostruktury 345

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

6

610 - Mikroskopické dutiny 348 611 - Mikrostaženiny 612 - Mikrobubliny 613 – Mikrotrhliny 620 – Vměstky 253 630 - Nesprávná velikost zrna 357 640 - Nesprávný obsah strukturních složek 360 650 - Zatvrdlina, zákalka 362 660 - Obrácená zákalka 367 670 - Oduhličení povrchu 369 680 - Jiné vady mikrostruktury 372 681 – Řetízkový grafit 380 Literatura 382 IX. 700 Vady chemického složení a vlastností odlitků 384 710 – Nesprávné chemické složení 387 720 - Odchylky hodnot mechanických vlastností 387 730 - Odchylky hodnot fyzikálních vlastností 387 740 – Nevyhovující homogenita odlitku 387 Literatura 388 X. Literatura 389

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

7

Návrh třídy vad pořadového čísla 200 Vady povrchu dle modifikované ČSN 42 1240 je v Tab.4.3. /9,10/. Obsahuje celkem 23 druhů vad a téměř se shoduje, mimo některá názvosloví, s mezinárodním atlasem vad, kategorie D Vady povrchu – Defective Surface - (D 100 až D 243),

Vady povrchu (200) dělíme tedy dle modifikované ČSN 42 1240 do následujících skupin (Tab.4.3):

200 - Vady povrchu 210 Připečeniny Druh vady 211 - Drsný povrch 212 - Povrchové připečeniny 213 - Zapečeniny - hluboké (za)připečeniny 220 - Zálupy 221 - Zálupy na horní ploše 222 - Zálupy na dně formy 223 - Zálupové síťoví 230 - Nárosty 231 - Vybouleniny 232 - Odření, shrnutí 233 - Utržení, sesutí 234 - Eroze 240 - Výronky 250 - Výpotky 260 - Zatekliny 261 - Zatekliny způsobené netěsnosti 262 - Prasklé jádro 263 - Prasklá forma 270 - Nepravidelnosti povrchu odlitku 271 - Pomerančová kůra 272 - Zvrásněný povrch 273 - Neštovice 274 - Okuje, opálení 275 - Krupička 276 - Dolíčková a kanálková koroze 277 - Chemická koroze 280 - Vady povrchové ochrany odlitku Vady povrchu odlitků se v porovnání k ostatním vadám, řadí mezi čtyři nejpočetnější. Jedná se však ve většině případů o vady odstranitelné, avšak v důsledku velké pracnosti, při vynaložení větších nákladů.

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

8

210 – Připečeniny

Tekutý kov kopíruje tvar slévárenské formy, ale i povrch stěn. Zvláště grafitizující slitiny se vyznačují vysokou zabíhavostí a detailně kopírují nerovnosti povrchu formy Do této skupiny zahrnujeme vadu drsný povrch (211), povrchové připečeniny (212) a hluboké připečeniny-zapečeniny (213). Zásadní rozdíl mezi vadami (212) a (213) spočívá v tom, že tekutý kov v prvém případě kopíruje povrch formy a to buď bez vzájemných reakcí a kov neproniká mezi zrna ostřiva hlouběji než do poloviny jejich průměru. Zbytky formovacího materiálu se snadno oddělují, povrch se stává pouze drsným. Vysokou zabíhavostí a smáčivostí povrchu se vyznačují především grafitizující slitiny (litina s lupínkovým a zrnitým grafitem). Ve druhém případě, za účasti fyzikálně-chemických reakcí na mezivrstvě forma – kov dojde k penetraci kovu, popřípadě produktů vzájemných reakcí do větší hloubky, často velmi obtížně oddělitelné od odlitku. U hlubokých zapečenin (213) probíhá penetrace kovu do značné hloubky, často až několik cm (obr.4.1) /17, 35, 36/.

Obr.4.1 – Překoná-li metalostatickým tlak povrchové

napětí a kapilární síly, pronikne tavenina mezi zrna ostřiva;

211 - Drsný povrch (Rough surface)

Drsnost povrchu je jedním ze základních kvalitativních kriterií odlitku při jeho prodejností.. Průnik kovu do formy nepřevyšuje svými rozměry velikost zrn ostřiva. Jakost litého povrchu má svůj význam především u litinových odlitků, které se neopracovávají, nebo tepelně nezpracovávají. Typický projev vady 211-drsný povrch je na obr.4. 2. Vada se vyskytuje především v blízkosti zářezů a v oblastech vysokého tepelného zatížení a je nutno ji pokládat jako předstupeň penetrace. Vadu lze také nalézt v místech kde jsou forma, nebo jádro méně spěchovány. Drsnost je jedním z důležitých kriterií prodejnosti odlitků. Litý povrch - drsnost povrchu - hodnotíme komparační metodou podle ČSN 014456. K subjektivnímu srovnávání slouží vzorkovnice – řada drsnosti – podle ISO v rozmezí 4 až 100µm RS.

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

9

Nejzávažnější je nedostatečné promísení vody a tím nestejnoměrná vlhkost formovací směsi, což v mnohých případech vede k velmi tvrdému místnímu zapěchování formy (nad 90 jednotek), s téměř nulovou prodyšností a velmi hrubým povrchem.

Obr.4.8 – Vysoká prodyšnost formovací směsi zapříčiňuje hrubý povrch odlitku /13/;

Obr.4. 9 – Temperovaná litina, příliš hrubá formovací směs /5/;

(6) Cizí materiál nebo tělísko ve formovací směsi v případě, že se při formování dostane k povrchu formy a způsobí vydrolení zrn ostřiva, nebo odtržení a sesutí části povrchu formy (viz vadu 233-utržení, sesutí a 212-připečení). Známé vady od nedopalku cigaret, nebo krabiček od tabáku, způsobené nedbalostí při vyfukování čistění při skládání forem..

Podstatně větší defekty, hlavně u velkých forem mohou způsobit zapomenutá, nebo přilepená plastická tělíska z různých jílových a kaolinových směsí tvarovaných jako plastelína při měření vhodné výšky podpěrek která používají slévači při přiskládání forem. Tyto vady řadíme pak do skupiny 520-nekovové vměstky.

(7) Formovací materiály obsahují zvýšený obsah látek se sníženou tavitelností, jako jsou sloučeniny sodíku nebo vápníku (tj. soda, vápenec a nekřemičité složky) tvořící specifické připečeniny nebo drsnost povrchu (obr.4.10). Stálé používání vratných směsí bez dostatečného zředění určitého podílu nových směsí může vést k nárůstu lehce tavitelných složek, jako oxidů kovů (strusek, okují). Dobrým pravidlem je oživování vratného oběhového písku novým, v množství cca 12 až 20%, v závislosti na výrobních podmínkách.

(8) Formovací směs s nesprávným obsahem uhlíkatých látek (příliš nízký, nebo naopak příliš vysoký), jako uhlí, obiloviny, cukry nebo celulózy. Tyto materiály chrání konečný povrch kovu tvorbou redukční atmosféry. Z toho důvodu musí být jejich úroveň přiměřená druhu odlévaného kovu, licí teplotě, a žárovzdornosti formovací směsi. V případě, že je této přísady nadbytek, může to vést k oblastem s hrubým povrchem a penetracím způsobeným nadbytečnou plynou fází, nebo v důsledku snížení bodu sintrace formovací směsi. K získání čistého hladkého povrchu u šedé, (případně tvárné) litiny se již tradičně používá uhlíkatých přísad (nejčastěji mleté uhlí) do syrových směsí (bentonitové směsi, směsi s vodním sklem) nebo grafitových nátěrů (formy a jádra těžkých odlitků na sušení). Účinek uhlíkatých přísad obecně je vysvětlován řadou teorií. Teprve v 70. letech minulého století byl experimentálně potvrzen příznivý účinek lesklého uhlíku. Primární termodestrukcí z uhlíkaté látky (uhlí) se uvolňují především aromatické uhlovodíky, které v žárovém pásmu na hranici forma – kov pyrolyzují za vzniku lesklého uhlíku (pyrouhlíku). Ten obaluje inaktivní povrchy křemenných zrn a forma se tak stává metalofobní. Lesklý uhlík je zvláštní morfologickou formou uhlíku, jehož uspořádání v mřížce se nachází mezi grafitem a koksem s vysokou stálostí proti oxidaci. Má vysokoteplotní (950 – 12000C) a nízkoteplotní (650-9500C) formu vyloučení. Abychom získali hladký povrch, je jedním z předpokladů uvolnění lesklého uhlíku při interakci kov - forma v koncentraci 0,4 – 0,6% ve směsi. Při vyšší

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

10

koncentraci naopak roste sklon k zavaleninám, k nezaběhnutí i k nauhličování povrchu např. ocelových odlitků (technologie odlévání na odpařitelný model – Lost foam). Vedle pyrouhlíku mají svoji důležitost i další produkty pyrolýzních pochodů uhlíkatých látek – koks (polokoks) a plynné produkty. Plastický stav koksujícího uhlí kompenzuje napětí z brzděné tepelné dilatace křemenných zrn ostřiva a tak brání vzniku vad z napětí. Plyny pak podporují rozpadavost při vybíjení forem. Proto např. použití umělých pryskyřic (polystyrén) i přes vysoký výtěžek pyrouhlíku nenašlo praktické využití. Rozhodujícím zůstává jakostní černé uhlí (definované granulometrie, stupně prouhelnění a chemicko-petrologického složení) jako nosič, obohacované přísadami s vysokým obsahem pyrouhlíku. Za optimální přísadu s komplexním účinkem je možno považovat takovou látku, která při destilační zkoušce vytvoří 11-19% lesklého uhlíku, 43-58% koksového zbytku, 27-38% těkavých látek /35/. Nosiče lesklého uhlíku působí, jak již bylo uvedeno, jednak tím, že vytvářejí tenký vyhlazující povlak pyrouhlíku, jednak tím, že se snižuje smáčivost zrn ostřiva. O působení vodní páry se všeobecně soudí, že působí negativně /39, 40/. Způsobuje snižování výtěžku lesklého uhlíku a současně oxidací zvyšuje reaktivitu taveniny. Vázáním vody na bentonit se sníží uvolňování vodní páry.

Obr.4. 11a,b - Vznik drsného povrchu odlitku působením „písečného deště“ /5/; Obr. 4. 10 – Formovací směs s vysokým obsahem vápníku tvoří efekt „dolíčkování“ (pockmarks) v oblastech nejvyšších teplot

< /13/;

(9) Příliš nízká tekutost (tvárnost-formovatelnost) vede k otevřené, hrubé struktuře formy. Vyžaduje proto zvlášť pečlivé zhutňování a dusání takovéto formovací směsi, aby byl její nepříznivý vliv kompenzován. Tak zvaný index formovatelnosti musí proto odpovídat daným podmínkám formování. Vlastnosti jsou řízeny a kontrolovány pojivy (jílovými), vlhkostí, zrnitostí a jejich rozdělení, a speciálními přísadami (aditivy). Povrch odlitků bude tím hladší, čím bude tekutost a spěchovatelnost formovacího materiálu větší. Hodnotu tekutosti a spěchovatelnosti formovacích směsí je možno ovlivnit přidáním některých přísad, snížením obsahu pojiv, snížením obsahu vody, příp. změnou tvaru zrn písku. Chceme-li připravit vysoce tekutou směs, není vhodné používat dextrin, sulfitový louh nebo sacharidová a škrobová pojiva. Odlitky vyrobené za jinak stejných podmínek vyššími měrnými tlaky mají povrch hladší, než odlitky vyrobené běžným způsobem. Optimální tlaky pro výrobu odlitků ze šedé litiny se pohybují mezi 2 až 3 Mpa.

(11) Příliš hrubozrnné uhlikaté přísady, ať svým původem (hrubě mleté), nebo oběhem ve vratné formovací směsi (sbalování bitumenosních pojiv – kamenouhelné smoly), způsobují zhrubnutí povrchu odlitku až připečeniny s drobnou bublinatostí.

(12) Nadměrné množství dělících prostředků (tekutých i prachových) může natolik ovlivnit vlastnosti formovacích směsí během formování, že na jedné straně umožní hladké rozebrání formy, ale ulpí-li na povrchu stěny formy nadměrné zhrubnutí povrchu odlitku až splavení části stěny a vadný odlitek.

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

11

(13) Nedostatečná pevnost formovacích směsí za vyšších teplot umožňuje destrukci a vydrolování povrchu formy, ještě před ztuhnutím povrchové vrstvy odlitku, k čemuž u křemičitých ostřiv přispívá i cristobalistická expanze. Rozsah může být tak značný, že se z povrchu formy, která tvoří horní část odlitku a je vystavena vysokým teplotám sálavého tepla při odlévání, vydroluje značné množství zrn křemenného ostřiva a tvoří „písečný déšť“, se značným rozsahem vady (obr.4.11a,b , 4.12)

Obr.4. 12 – Drsný povrch od tzv. „písečného deště“/5/; Obr.4. 13 – Srovnání rozdílů povrchu odlitku dobrého a s vadou splavený písek /13/;

Výroba jader

Nejčastěji se vyskytujícími závadami vedoucími k drsnému povrchu od jader jsou:

(1) Znečistěné jaderníky (2) Příliš hrubá zrnitost jádrových směsí (3) Měkce zapěchovaná jádra (4) Jádra vadně natřená, nastříkaná a máčená, včetně nevhodného složení a hustoty

nátěrových hmot (obr.4. 13) (5) Nesprávně vysušená, vytvrzená nebo spálená jádra (6) Neodborné a hrubé zacházení s jádry (7) Odřený povrch jader (8) Nízká pevnost jader (9) Nesprávně připravená jádrová směs (složení, doba mísení) (10) Nedostatečně začistěná a dokončená jádra.

Výroba forem

Nečastějšími závadami při výrobě forem vedoucími k drsnému povrchu jsou: (1) Měkce upěchované formy (2) Vadně očistěné modelové desky (3) Nedostatečně přesáté formovací směsi (4) Formy vadně natřené a nastříkané, včetně nevhodného složení a hustoty nátěrových

hmot (5) Nedostatečně a nesprávně ošetřené formy před skládáním a odléváním (6) Nesprávně volená vtoková soustava a nálitky

Tekutý kov

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

12

213 - Hluboké připečeniny – zapečeniny (Burning-in)

Kovy (všechny slitiny železných i neželezných materiálů) pronikají do značné hloubky a to podle síly stěny odlitku a jeho hmotnosti, do hloubky několika centimetrů a někdy mohou proniknout i celým odlitkem. V zásadě však je to vada převážně masivních odlitků. V silně tepelně exponovaných místech formy nebo jádra, vzniká konglomerát kovu a formovací směsi, často těžce oddělitelný od povrchu. Možné odstranění je vysekávání, broušení, vypalování pomoci elektrod, oxidační žíhání apod.

Projev hlubokých připečenin a zapečenin je velmi rozmanitý a závisí na jejich rozsahu (obr.4. 22 až – 4. 57).

Obr.4. 22 – Hluboké připečeniny u odlitku z LKG od měkce zapěchované formy /13/;

Obr.4. 23 – Hluboké zapečení odlitku z LLG, koncentrace teploty a měkká forma /13/;

Příčiny vzniku vad

Na vzniku vad připečeniny, hluboké připečeniny a hluboké zapečeniny působí velmi rozsáhlá řada faktorů:

� teplota odlévaného kovu � stupeň dezoxidace kovu a přítomnost legur � metalostatický a metalodynamický účinek kovu � povrchové napětí kovu, viskozita a úhel smáčení formy kovem, � tepelná namáhání části formy nebo jádra (koncentrace v rozích a hranách formy,

masivnost odlitků) � velikost zrn ostřiva, hranatost a stupeň zhuštění (velikost mezizrnových pórů) � chemická a minarologická skladba křemenných a nekřemenných ostřiv � plynový režim slévárenské formy (chemická povaha a tlak plynů – tlak vodní páry.)

Vznik zapečenin obecně je velmi složitý, dodnes nejednoznačně vysvětlený proces, na kterém se podílejí pochody mechanické, tepelné a fyzikálně – chemické. Často se také setkáváme se zjednodušenou interpretací tzv. mechanických, chemických a tepelných zapečenin. V současné době jsou stále, průběžně ověřovány mechanizmy penetrace kovů:

� penetrace přes tekutou fázi � penetrace za spoluúčasti chemických reakcí � penetrace za spoluúčasti par kovů � penetrace iniciovaná výronky kovu do jader způsobených cristobalistickou expanzí

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

13

� penetrace explozí vodní páry � penetrace vycezováním.

Penetrace kovů přes tekutou fázi /10, 35, 65, 77 /

Vnikání kovu do prostorů mezi jednotlivými zrny, může probíhat vlivem metalostatického a metalodynamického tlaku, nebo pomoci kapilačních sil. Výpočet metalostatického tlaku, potřebného k penetraci (výpočet kritického tlaku sloupce kovu h) vychází ze vztahu /63, 64/:

2 . σ cos α h = --------------------- 4. 1. r . ρ . g

kde σ - povrchové napětí tekutého kovu α - krajní úhel smáčení r - poloměr kapilár

Z výpočtu metalostatického tlaku pro nesmáčivou formu ( α = 1800), ocel (σ = 1,5 Nm-1) a poloměr kapilár (r = 5.10-5m) se ukazuje, že kritického tlaku je dosaženo při pouhé výšce kovu h = 0,857 m. Je-li ve formě oxidační prostředí (syrová forma), úhel smáčení silně klesá a kritická výška se snižuje, zatím-co v redukčním prostředí je povrchové napětí konstantní, pak kritický tlak je úměrný povrchovému napětí. Zatímco povrchové napětí je pro danou slitinu v podstatě konstantní, přítomnost kyslíku a jiných stopových prvků jej může výrazně snížit. Proto čím menší budou póry formy, tím větší bude potřebný kritický tlak. Další praktická cesta ke snižování penetrace vede k použití dokonale dezoxidovaných kovů, zvláště v případě ocelí. Penetrace kovu do formy je děj diskontinuální, probíhá po skocích. Kov vnikne do pórů s podstatně nižší teplotou a tam ztuhne. Tím se zvýší tepelná vodivost vzniklé zapečeniny, která přijme i latentní teplo krystalizace, forma se ohřeje, kov se znovu roztaví a postoupí do větší hloubky. Tyto skoky se časem zkracují.

U pravých tepelně vysoce namáhaných jader nebo vpadlých částí formy do kovu, po prvotním natuhnutí kovu nastává, za určitých tepelných poměrů, opětné roztavení tuhé fáze (cyklické natuhování), což je mnohem nebezpečnější pro možnou penetraci do jádra, které má vyšší teplotu než-li tekutý kov. Tím jsou vytvořeny příznivé podmínky i pro vznik hlubokých zapečenin.

Obr.4. 24 a,b,c – Schéma cyklického natuhování kovu na povrchu jádra otékaného taveninou /10/; Průběh tuhnutí kovu v místech A a B na povrchu klínového jádra možno sledovat na schematickém zobrazení v obr.4. 24a,bc. . V bodě B, kde jádro dovede odvádět předané teplo, nastává natuhávání kovu dle známých rovnic (Schwarz-Chvorinov) / 66, 67/. ξ = - b + k √ τ 4. 2.

kde b – úsek na ose ξ odpovídající přehřátí kovu

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

14

Obr.4. 30a – Řez zkušebním odlitkem s jádry z CT-SiO2 ( CO2);

Obr.4. 30b – Zapečenina v jádře z CT-SiO2 (postup CO2) Obr.4. 30c – dtto + bauxit /70/;

Obr.4. 31 – Řez zkušebním odlitkem s jádry z různých ostřiv (CO2) /70/;

Vysokou odolnost proti zapékání vykazují klínová jádra z nekřemenných ostřiv, z magnezitu a chromitu, jak je patrné ze zkoušek v obr.4. 31. Zde nepozorujeme jakékoliv zapečeniny.

Obr.4. 32 a – Vyjmuté vzorky zkoušek penetrace šedé litiny do klínových jader ze směsí s vodním sklem a Esterolem / 23,65/;

Obr.4. 32b – Detailní pohled na vzorek pro analýzu /23,65/;

Obr.4. 33 a,b,c,d,e – Vzhled rozhraní odlitek-zapečenina-jádro; a,b - plynulý přechod z odlitku do jádra, c,d,e - zvětšování mezery mezi odlitkem a jádrem /23,65/;

Dílčí výsledky ze sledování hlubokých zapečenin u odlitků ze šedé litiny (ČSN 42 2425 -30) odlévaných do samotvrdnoucích směsí s vodním sklem s křemenným ostřivem a

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

15

Esterolem (licí teploty 1 290 až 1 3100C), při uspořádání dle obr.4.29. jsou v obr.4.32 až 4. 41. Již z vyjmutých vzorků klínových jader v obr.4. 32a,b je patrný velmi různý stupeň zapečení.

Na obr.4. 33 a,b,c,d,e je vzhled a možné uspořádání v mezivrstvě odlitek-jádro u některých vybraných typických vzorků, který se v různých modifikacích vyskytuje. Zapečenina většinou plynule přechází z odlitku do jádra, ale hojné jsou i mezery mezi odlitkem a jádrem. Tloušťka mezivrstvy i mezer je velmi různá. Na obr.4. 33 b,c,d možno pozorovat i přímý průnik kovu do jádra a tím i původce – „zárodky“ (vlastně jedny z četných zárodků) vzniku zapečeniny. Řez masivní hlubokou zapečeninou v klínovém jádru je v obr.4. 34. Křemenná zrna jádrové směsi jsou téměř dokonale prostoupena kovovou fází. Kovová fáze je zobrazena šedě, jednotlivá křemičitá zrna ostřiva „září“ světle. V obr.4.35 je oblast s jedním z četných průniků kovové fáze do jádra.

Obr.4.34 – Hluboká zapečenina v jádru z ST směsi /23,77/;

Obr.4.35 – Hluboká zapečenina v místě průniku kovové fáze do jádra /23,77/;

Na obr.4.36a,b je další detailní pohled na jiné vybrané místo s masivním průnikem kovové fáze do jádra. Kovová fáze, v případě, že je volně vyloučena (není v řezné rovině vzorku) má dendritický charakter. Vidíme zde přímý zdroj mechanické penetrace přes tekutou fázi.

Obr.4. 36a – Průnik litiny do klínového jádra z ST směsi s vodním sklem a Esterolem /23/;

Obr.4. 36b – – Průnik litiny do klínového jádra z ST směsi s vodním sklem a Esterolem /23/;

Kovová fáze se v zapečeninách objevuje ve dvou formách. Ve formě amorfního povlaku, jako by vytékala do volného prostoru mezi jednotlivá zrna písku formovací hmoty, kterou smáčí a kde pak ztuhne, s průměrným chemickým složením původní litiny, což je dobře patrno na obr. 4.37 a obr.4.38a,b..

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

16

400 – Dutiny (Cavity)

Dutiny, jako slévárenské vady, zahrnují bubliny, bodliny, odvařeniny a staženiny. Původcem bublin, bodlin a odvařenin jsou plyny (kyslík, vodík, dusík a oxid uhelnatý), staženiny jsou výsledkem fyzikálního pochodu zmenšování objemu kovu (stahování) při jeho tuhnutí. Dutiny jsou vady poměrně snadno zjistitelné prohlídkou odlitku nebo nedestruktivní kontrolou. Odlitky s touto vadou, zvláště objeví-li se na funkční ploše odlitku, nebo snižují-li jeho mechanické vlastnosti, jsou většinou neopravitelné.

410 – Bubliny (Gas Holes)

Bubliny jsou otevřené (povrchové) nebo uzavřené (vnitřní) dutiny ve stěnách odlitku. Vyskytují se jako jednotlivé bubliny, nebo v rozsáhlých shlucích, ale mohou být také rozloženy po celých oblastech povrchu odlitku (např.síťkové bubliny). Vznikají buď jako bubliny s hladkým povrchem, nebo s povrchem zoxidovaným. Větší bubliny se vyskytují převážně izolovaně, nejmenší naopak ve větších nebo menších, různě rozmístěných skupinách a shlucích, někdy jsou rozprostřeny po celém povrchu odlitku.

Uvedené rozlišení platí pouze pro bubliny uzavřené, neboť otevřené bubliny mají povrch pokrytý vrstvou oxidů následkem styku s atmosférou během tuhnutí a chladnutí odlitku. Výjimku tvoří bubliny vzniklé odvařením vodní parou, je-li bublina pokryta vrstvou grafitu. Tvary a velikosti bublin jsou velmi rozmanité, převládají bubliny kulového a elipsoidického tvaru, avšak vyskytují se i bubliny nepravidelného, protáhlého tvaru .

Velikost bublin může být od několika desetin milimetrů až po jednotky, případně i desítky milimetrů. Bubliny podle původu dělíme na endogenní a exogenní.

Endogenní bubliny (obr.6.1a) vznikají z plynů rozpuštěných v tavenině tehdy, jestliže tlak rozpuštěných plynů převýší odpory působící proti nim. Na jejich tvorbě se může podílet kyslík, vodík a dusík, popřípadě všechny uvedené prvky ve vzájemné kombinaci. Endogenní bubliny mohou iniciovat buď na rozhraní formovacího materiálu a tuhnoucího kovu - jako otevřené, nebo v patách rostoucích dendritů – zpravidla jako uzavřené.

Exogenní bubliny (obr.6.1b)vznikají při odlévání, jestliže tlak plynů ve formě převýší odpor, který mu klade chladnoucí a tuhnoucí povrchová vrstva roztaveného kovu a plyny vniknou do odlitku. Tento druh bublin je zpravidla charakterizován jako zahlcený plyn, přičemž dutiny mívají protáhlý a zploštělý tvar ( např. obr.6. ) /135/. Vady způsobené plynem je možno lépe identifikovat, než-li popsat. Velký podíl omylů možno přičíst záměnou za staženiny a záměnou za strusko-plynové vady. Předpokládá se, že bubliny jsou hladké, staženiny dendritické. Tato jednoduchá rozlišení však mohou vézt ke značným a tím i nákladným omylům.

Bublinatost v litých kovech byla již od třicátých let minulého století předmětem řady prací, které v roce 1952 shrnul Portevin / 136/.

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

17

Obr.6.1a,b – Schéma vzniku endogenních a exogenních bublin a bodlin /5/;

Dawson a spol../137/ třídí bubliny v odlitcích, zvláště litinových, podle doby jejich vzniku a reakcí z nichž vznikly poměrně výstižně na:

A – Bubliny zapříčiněné vysokým obsahem plynu v kovu. Zachycené plyny jsou vodík a dusík. Oba plyny jsou rozpustné v tavenině, ale relativně nerozpustné v tuhém kovu. Při tuhnutí odlitku se nerozpuštěný plyn vylučuje a vytváří štěrbinovité dutiny mezi rostoucími dendrity tuhnoucího kovu. B – Bubliny z plynů pocházejících z forem a jader. Uvolněné plyny jsou zachyceny jako bubliny v tuhnoucím kovu. Plyny tvořící tyto dutiny jsou tvořeny převážně parami, svítiplynem a uhlovodíkovými plyny pocházejícími z rozkladu organických jádrových směsí.

C – Vodíkové bodliny. Tato vada má tvar malých bublin, které se nacházejí těsně pod povrchem odlitků nebo těsně pod ním a nemusí se odhalit před tryskáním, nebo opracováním. Původcem je vodík, který se vysoce koncentruje během odlévání v povrchových vrstvách.

D – Komplexní vodíko-dusíkové bodliny. Vyskytují se převážně v odlitcích z tvárné litiny a velmi se podobají jednoduchým vodíkovým bodlinám. Souvisí však přímo s použitím pojiv ze syntetických pryskyřic, které obsahují dusíkové deriváty.

E – Bubliny z reakce uhlík a kyslík – oxid uhelnatý. Bublinatost v této skupině se může objevit v různých formách jako oxid uhelnatý, který se tvoří reakcí kyslíku s uhlíkem přítomným v různých formách jak v samotné tavenině, taktéž v okolním prostředí.

Na tvorbě endogenních bublin se podílejí kyslík, vodík a dusík, které jsou rozpuštěny v tavenině.

Podle příčin vzniku se bubliny dle ČSN 42 1240 dělí na:

411 – bubliny způsobené kyslíkem

Vliv kyslíku na tvorbu bublin je v běžných případech kompenzován dezoxidačními reakcemi, při nichž kyslík postupně reaguje s vápníkem, hliníkem, křemíkem, manganem, jako nejčastějšími dezoxidujícími plyny a v poslední fázi s železem, přičemž produkty těchto reakcí jsou oxidické vměstky. Pouze při extremně vysokých obsazích kyslíku ve slitinách železa by mohly vznikat kyslíkové bubliny. Rozpustnost kyslíku v tavenině čistého železa je při teplotě 15500C a tlaku 0,1 Mpa, 0,18 hm.%. U špatně dezoxidovaných slitin železa s nízkým obsahem uhlíku, tj. ocelí odlévaných do syrových forem nastává možnost vzniku bodlin. Běžným ohledáním nelze bubliny způsobené kyslíkem přesně určit.

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

18

412 – bubliny způsobené vodíkem

Maximální rozpustnost vodíku v tavenině čistého železa při teplotě 15310C a atmosférickém tlaku 0,1 Mpa je 0,0025 hm.%. Rozpustnost vodíku v ocelích snižuje uhlík, hliník, křemík, fosfor a síra a naopak silně ji zvyšují titan, vanad, chrom, mangan, molybden, wolfram aj. Ve vadných, bublinatých odlitcích způsobených vodíkem byl analyzován obsah H2 v rozmezí cca 5 až 30 ppm.

Obr.6.2a,b – Vodíkové bubliny ve stěně odlitku ze šedé litiny ( obsah H2 =cca 20-30 ppm ) /23/;

Vznik vodíkových bublin:

Tvorba těchto bublin probíhá v několika stupních. Především je to vznik vodní páry v mezivrstvě forma-roztavený kov. Následnou reakcí vodní páry s doprovodnými prvky z taveniny vznikají oxidy kovů a atomární vodík, který difunduje do taveniny. Při existujících licích teplotách nedochází pravděpodobně k přímé disociaci molekulárního vodíku. Spíše reagují oxidy kovů s uhlíkem z taveniny za vzniku molekul CO, které se vylučují z taveniny a tvoří mikrobubliny.

Tvorba oxidů kovů:

Me + H2O =MeO + 2H (kde Me jsou prvky jako Al, Ti, Mg, Mn, Fe, Ca,.. )

Tvorba mikrobublinek:

[MeO] + C = Me + {CO}, nebo [MeO2] + 2C = 2{CO}

( kde Me je především Fe případně Mn ) za vzniku oxidu uhelnatého, přičemž je redukován kov. Vzniklý zárodek plynného oxidu uhelnatého se v tavenině rozpíná a vytváří mikrobublinu, do niž okamžitě difundují další plyny, především vodík, za postupné redukce-”stravování”- oxidické strusky. Při tom silně klesne potřebný tlak a přímé vylučování vodíku se již stane pravděpodobnější.

2 H2O = 2 H2 + O2

Vzniklý vodík reaguje při vysokých teplotách a tlacích s uhlíkem z taveniny za vzniku metanu. Metan se rozpadá, přičemž vzniká grafit a vodík.

Crozp + 2H2 = CH4 CH4 = Cgrafit + 2H2

Zatímco rozpuštěný uhlík reaguje s vodíkem, neslučuje se již jednou vyloučený grafit se silně nahřátým vodíkem na metan. V důsledku těchto pochodů jsou ve vodíkových bublinách vždy tenké vrstvy grafitu. Bubliny pak mohou být obklopeny čistě feritickou vrstvičkou která neobsahuje perlit.

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

19

Na obr.6.2a je pohled na mírně opracovanou stěnu odlitku ze šedé litiny s vodíkovými bublinami a v obr.6.2b je pohled v řezu napříč stěnou. V řezu je patrný jejich kulový ale i mírně protáhlý vzhled vzniklý spojením jednotlivých bublin.

Obr.6.3a –Povrch vodíkové bubliny od jejího okraje při ohledání elektronovým řádkovacím mikroskopem, /23/;

Obr.6.3b – Na povrchu patrný pravidelný grafitový povlak a řetízkovitě rozložené sulfidy typu MnS, H2= 20-25ppm /23/;

Obr.6.3c – detailní pohled na střední část bubliny – masivní grafitové povlaky a Sulfidy MnS /23/;

V obr.6.3a,b,c je povrch vodíkové bubliny při ohledání řádkovacím elektronovým mikroskopem při různém zvětšení. Tmavé plošky představují poměrně masivní grafitové povlaky. Celý povrch je poset a řetízkově protkán zrnitými útvary sulfidů, nebo oxisulfidů.

Obr.6.4a,b – Povrch vodíkové bubliny a její průměrná RTG analýza, /23/;

Obr.6.5a,b - Povrch vodíkové bubliny a její průměrná RTG analýza /23/;

Na obr.6.4b je průměrné Rtg spektrum z celého povrchu bubliny z obr.6.4a. Spektrum je mimo Fe tvořeno Si, S, Mn a stopy Ti, Al a Cu. V obr.6.5b je RTG spektrum pouze ze zrnitých útvarů, které představují sulfidy MnS, případně oxisulfidy (MnS)O a TiO.

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

20

Pokyny a doporučení pro správnou diagnostiku dutin

Správná diagnóza při hodnocení vad projevujícími se dutinami v odlitku bývá často velmi obtížná; možno ji však usnadnit některými praktickými poznatky:

� Velmi rozsáhlé dutiny (velké bubliny) jsou většinou externího původu (exogenní). � Exogenní bubliny mají většinou rozdílnou velikost. Mohou se projevovat izolovaně

(jednotlivě), nebo v nepravidelných skupinách. � Endogenní (vnitřního původu) bubliny jsou většinou malé, pravidelného uspořádání a

nalézají se rozprostřeny buď po celém odlitku, nebo v jeho určitých oblastech (částech).

� V železných slitinách mají vodíkové bubliny většinou světlé, lesklé stěny (často pokryté grafitovými povlaky různého rozsahu), bubliny CO jsou namodralé a bubliny od zahlcené atmosféry jsou šedé a lehce zoxidované.

Běžným ohledáním vadného místa není někdy správná diagnóza vůbec možná. Obecně vyžaduje důkladný průzkum a poměrně ucelené a mnohdy i rozsáhlé metalurgické a technologické znalosti. Stále více (jak je i patrno v této monografii) je nezbytnost použití nejmodernější laboratorní techniky.

420 – Bodliny (Pinholes)

Bodliny jsou malé a protáhlé dutiny s hladkým povrchem, vytvořené na rozhraní a těsně pod povrchem odlitku a ty pak vyúsťují na povrch malými, jakoby kapilárními otvory. Po otryskání se projevují jako malé bublinky pokrývající buď zcela, nebo v nepravidelných shlucích povrch odlitku. Průměr bodlin je okolo 1 až 2 mm, jejich délka orientovaná kolmo k povrchu odlitku může až několikanásobně převyšovat průměr. Povrch bublin je podle druhu plynu, jež je vytvořil a základního materiálu odlitku pokryt buď oxidickými vrstvami, nebo je hladký a celkově, neb částečně pokryt grafitovým povlakem Pod grafitovým povlakem bývá oduhličená feritická vrstva (obr.6.78a,b, 6.79a,b, 6.80, 6.81).

Obr.6.78a – Bodliny na odlitku z temperované litiny- lito na syrovo /5/;

Obr.6.78b – Detailní pohled na bodliny vzniklé reakcí oxidů na CO /5/;

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

21

Vycházeje z předpokladu vzniku bodlin v ocelových odlitcích, přisuzoval se jejich původ vodíku: Jejich vznik se původně vysvětloval takto /145/:

Fe (ocel) + H2O(vodní pára) → 2H (v oceli) + FeO FeO + 2H → Fe + H2O (bodlina, nebo 2H → H2 (bodlina) nebo:

C(v oceli) + H2O(vodní pára) → CO(plyn) +2H (v oceli) 2H → H2 (bodlina).

Tento mechanizmus však nebyl experimentálně potvrzen. Další autoři předpokládali /146, 147/, že bodliny vznikají reakcí:

C (v oceli) + FeO → Fe + CO (plyn-bodlina).

Zdrojem FeO měl být fayalit. ( FeO.SiO2 se nalézá ve strusce).

Dále pak byla navržena reakce /148/:

2Al(v oceli) + 3 H2O(vodní pára) → Al2O3 (ze strusky) + 6H (plyn),

Kontroverzní role H2 a CO jako zárodku bodliny nebyl však do dneška rozřešen /137/.

Poslední, velmi rozsáhlá práce se přiklání k názoru, že bodliny v železných slitinách vznikají reoxidačními pochody a vodík, že má sekundární význam:

/MeO/ (oxidy) + C (uhlík) � {CO} + /Me/ , nebo

/MeO2/ + 2C �2{CO} za vzniku oxidu uhelnatého, při čemž je redukován kov.

Kde MeO je většinou FeO, (ale může být i MgO, Al2O3, CaO, BaO, MnO) a C je uhlík z taveniny;

Obr.6.79 a,b – Řez bodlinami z obr.6.78b /5/;

Přítomnost silných oxydantů, jako hořčíku a hliníku podporuje vznik bodlin. Oba tyto prvky drasticky zvyšují reakce jejichž výsledkem je vznik vodíku. Vzhledem k tomu, že aktivita vodíku podporuje růst bublin, vzrůst prudkosti tvorby bodlin je výslednicí reakce těchto prvků s parou z formy:

Mg + H2O → MgO + 2H, 2Al + 3 H2O → Al2O3 + 6H.

Vzniklé stabilní oxidy a přítomnost částic křemičitanů hořčíku působí jako vhodná místa pro zárodky plynových bublin. Z toho důvodu může přítomnost hliníku a hořčíku podpořit a zesílit tvorbu vodíkových bodlin. Z toho důvodu má být při výběru vsázkových materiálů vyloučen obsah hliníku. Množství hliníku v tavenině tvárné litiny nemá při odlévání do syrových forem přesahovat cca 0,045 až 0,060%.

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

22

Obr.6.80 – Řez podpovrchovými bodlinami v odlitku ze šedé litiny /17/;

Obr.6.81 – Řez vodíko-dusíkovou bodlinou v odlitku ze šedé litiny (oduhličený povrch) /17/;

Hlavním původcem vzniku bodlin je, jak shora uvedeno reoxidace a vznik CO a vlhkost, především z formovacích směsí a případně dusík z organických směsí. Impulsem pro vznik bodlin je kyslík a vodík, které přecházejí z disociované vodní páry z formovacích směsí a rozpouštějí se v tavenině. Tvoří se kovové oxidy a atomární vodík. Podobným způsobem se štěpí sloučeniny dusíku a vodíku a ty mohou rovněž difundovat do taveniny. Jsou-li k dispozici dezoxidační prvky, vyváže se na ně kyslík ve formě pevných zplodin. Vodík, popřípadě dusík přecházejí do odlitku a mohou zde vytvářet uzavřené dutiny, bubliny. Není-li v tavenině přebytek dezoxidačních prvků, které by likvidovaly přebytek kyslíku z vlhké formy-jádra, vzniká oxid uhelnatý, který se při své minimální rozpustnosti ve slitinách železa vyloučí ve formě bodlin, do nichž pak může difundovat vodík i dusík. Dále působí stupeň průtočnosti daného místa odlitku, tloušťka stěny a atmosférická vlhkost vzduchu. S rostoucím stupněm průtočnosti a tloušťkou stěny náchylnost k tvorbě bodlin klesá, rostoucí atmosférická vlhkost náchylnost zvyšuje.

Obr.6.82 – Ocelové těleso pumpy lité na syrovo s vodíko-dusíkovými bodlinami /5/; Obr.6.83 – Ocelová příruba litá do uretanových směsí (vodíko-dusíkové bodliny) ; >

Bodliny se vyskytují jak u ocelových, taktéž litinových odlitků (zvláště v tvárné litině). Dusíkové sloučeniny z organických pojiv mohou vyvolat bodliny i přímo v případě, že přesytí taveninu dusíkem. Tvárná litina je více náchylná na tvorbu dusíkových bodlin, ne-li šedá litina. Přítomnost Mg v tvárné litině silně zvyšuje její sklon k pohlcování vlhkosti v celém výrobním procesu (vyzdívky pecí, pánví, žlábky, formy) a tím i vyššímu sklonu k výskytu bodlin.

V obr.6.82 a 6.83 jsou ocelové odlitky s bodlinami vzniklými působením formovacích směsí reakcí vodní páry a z pryskyřičných směsí s obsahem dusíku. Vady byly odstraněny snížením vlhkosti směsí a použitím směsí s pryskyřičnými pojivy s nižším obsahem dusíku.

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

23

Obr.6.84 – Těleso ventilu z tvárné litiny lité na syrovo (bodliny vzniklé reakcí oxidů a vlhkostí ) /5/;

Obr.6.85a – Sklíčidlo z tvárné litiny po odlití (bez závad) /5/;

Obr.6.85 – Sklíčidlo z tvárné litiny po vyžíhání (objevují se bodliny);

V obr.6.84 je odlitek tělesa ventilu z tvárné litiny odlitý na syrovo se značnou podpovrchovou bodlinatostí, která se plně projevila až po otryskání odlitku. Příčnou byla vysoká vlhkost formovací směsi, nedostatečně dezoxidovaná tavenina před odléváním a nižší licí teplota.

V obr.6.85 je sklíčidlo původně vyráběné z temperované litiny. Po přechodu na tvárnou litinu se po žíhání na čistě feritickou strukturu a po otryskání objevuje rozsev bodlin. Vada byla odstraněna dokonalou dezoxidací taveniny tvárné litiny těsně před odléváním a zvýšením licí teploty. V obr.86a,b je část odlitku kotouče ze šedé litiny s povrchovými bodlinami a řez oblastí bodlin na němž je patrné oduhličení způsobené oxidací za vzniku feritických oblastí. Vada byla odstraněna mírným zvýšením uhlíkatých přísad do formovacích směsí a zvýšením jejich prodyšnosti.

Obr.6.86a – Odlitek ze šedé litiny s bodlinami litý na syrovo (bodliny z nadměrné vlhkosti formovací směsi) /17/;

Obr.6.86b – Řez povrchem odlitku z obr.6.86a v oblasti bodlin. Vznik bodlin byl podporován povrchovou oxidací charakterizovanou vznikem feritické obálky /17/;

Opatření k zabránění bodlinatosti spočívají v účinné desoxidaci taveniny, nízké vlhkosti a nízkém obsahu dusíkových sloučenin ve formovacích a jádrových směsích a některými vhodnými přísadami do taveniny (Al, Te) a do formovacích směsí (Fe2O3, kamenouhelná moučka) /137 až 156/.

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

24

446 – Plynové staženiny (řediny) (Shrinkage, blowhole)

Plynové staženiny jsou dutiny v odlitku, na jejichž vzniku se podílí vyvíjející se plyny vznikající ve formě. Povrch dutin je většinou hladký, v hlubších částech pokračujících do odlitku se nachází jemná dendritická struktura, mající charakter otevřené staženiny. Plynové staženiny mohou vyúsťovat až na povrch odlitku.(Leonardův efekt /163 /).

Příčiny vzniku a odstranění plynové staženiny (řediny)

Plynové staženiny se vyskytují v místech vysoce prohřátých jader, ostrých hran formy, podobně jako koutové staženiny (vada 444), kde je doba tuhnutí odlitku delší, čímž jsou vytvořeny podmínky pro vznik staženin a ředin. Oproti klasickým staženinám se na jejich vzniku podílí plyny vyloučené z jader, formovacích směsí, z nátěrů, rozkladem vody apod., které vniknou pod tlakem do tvořící se staženiny v tomto tepelném uzlu odlitku. Jelikož okolní oblast odlitku tuhne dříve, tuhne tato část odlitku při nedostatečném dosazování taveniny, takže vzniká dutina-staženina s vyloučenými jemnými dendrity.

Plynová staženina může též vzniknout v návaznosti na propadlinu. Při větší rozloze žhavé kůry, nebo je-li kůra vpadlá formou propadliny, může nerovnováha v tlacích způsobit protržení kůry propadliny a staženina vyústí navenek a vyplní se plynem z okolí.

V obr.6.152 je odlitek ze šedé litiny s plynovou bublinou vzniklou z propadliny. Vhodnou podmínkou pro vznik tohoto typu plynové staženiny u šedé litiny je možnost vyššího přehřátí kovu, menší rychlost tuhnutí a dosti široký interval krystalizace.

Obr.6.152 - Šroubení ze šedé litiny s plynovou staženinou vzniklou z propadliny;

Obr.6.153 a – Víko ložiska z tvárné litiny s plynovými staženinami /122/;

V obr.6.153 a je odlitek víka ložiska z tvárné litiny s plynovými staženinami litý na syrovo se skořepinovými jádry. Plynové staženiny vyúsťují až na povrch odlitku. Jejich původem je tepelný uzel ve spojnici stěn tvaru Y jak je patrno z obrázku a průnik plynů z jádrové směsi do staženiny. V obr.6.153 b,c je povrch staženiny z řádkovacího elektronového mikroskopu (SEM), který je hladký, místně s výstupky vrcholů drobných dendritů. Povrch staženiny je pokryt grafitovým, poměrně masivním povlakem, což nasvědčuje též přítomnost vlhkosti. Rtg spektrum EDS analýzou ukazuje skutečně značného množství C, což potvrzuje souvislý grafitový povlak. Jinak nejsou na povrchu staženiny žádné jiné prvky, nežli Si a Fe patrny..

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

25

Obr.6.153 b – Povrch plynové staženiny z obr.6. 153 a (staženina je pokryta grafitovým povlakem) /122/;

Obr.6.153 c – Rtg analýza EDS povrchu staženiny z obr.6.153 b /122/;

V obr.6.154 a,b je povrch plynové staženiny z masivní části odlitku stojanu ze šedé litiny litého do formy z furanové směsi s jádry taktéž z furanových směsí. Plynová staženina vznikla v tepelném uzlu styku stěn s průnikem plynů vzniklých ze směsí a z nátěrů. Rtg spektrum ukazuje na mírnou oxidaci povrchu staženiny a přítomnost oxidů typu (Al, Si,Ti, Mn)O a přítomnost sulfidů MnS.

Obr.6.154 a,b – Povrch plynové staženiny (SEM) a rtg analýza z odlitku ze šedé litiny litého do furnavých směsí /122/;

Mimo všeobecná opatření proti vzniky staženin a propadlin se zvýrazňuje:

� zajistit vyšší rychlost tuhnutí na povrchu odlitku v oblasti tepelného uzlu, použití chladítek nebo technologických chladících žeber,

� snížit licí teplotu, � nedovolit kondenzaci vody na formě a jádrech (zkrátit dobu setrvání složených forem

před odléváním), � nezakládat teplá jádra do studených forem, nebo naopak studená jádra do teplých

forem, � používat hygroskopické nátěry, nátěry důkladně přesušit, � zvýšit licí rychlosti, � změnit místa zářezů.

512 – Sekundární struskovitost (Slag – gas Defects)

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

26

Povrchové, nebo podpovrchové vnitřní dutiny na horních plochách, nebo v horních oblastech odlitku nebo pod jádry, které jsou buď zcela (jen zřídka), nebo částečně vyplněny struskou. Struskoplynové vady (které do této skupiny vad řadíme), jejichž průvodním jevem jsou plynové bubliny, nemusí obsahovat okem viditelnou strusku vůbec. Často však obsahuje různě velké výpotky.

Sekundární struska, původce této vady, vzniká převážně reoxidací taveniny, která probíhá mezi proudem tekutého kovu a atmosférou před litím, nebo v dutině formy a taveninou a vlastním formovacím materiálem; v některých případech může být i částečně smíšena s pecní a pánevní struskou. Projev a vzhled sekundární struskovitosti je u ocelových odlitků odlišný od odlitků z litin (šedé, tvárné, temperované).

Příčiny vzniku sekundární struskovitosti a její odstranění

Ocelové odlitky

Sekundární struskovitost u ocelových odlitků, kterou někteří autoři označovali jako ceroxidy /186, 5/, jsou v podstatě oxidické makrovměstky, které vznikají sekundární oxidací ocelové taveniny těsně před vstupem do formy, nebo při proudění ve formě. Tyto makrovměstky pak strhávají a asociují zrníčka ostřiva, nedokonale přilnuté nátěry, nebo části vyzdívek udržovacích a licích pánví. Chemické složení strusky je silně ovlivněno základním složením kovu (především poměrem Mn/Si) a obsahem silných dezoxidovadel (Al, Ti, Zr). Vytváří se tak struska komplexních oxidů SiO2, Al2O3 a MnO s nízkým bodem tání kolem 1 150 až 1 2600C, která se může uchytit na povrchu formy v místech, které označujeme jako tišiny, nebo na horních plochách odlitku. Tam dochází k reakci s formou za vzniku povrchové připečeniny, která se po otryskání odlitku projeví jako povrchová dutina. Na neotryskaném povrchu odlitku má vada bělavou - zeleně bělavou až bělošedou barvu (obr.7.33a,b). Vady nejsou provázeny bublinatostí.

Obr.7.33a,b – Sekundární struskovitost na povrchu ocelového odlitku litého do sušené formy /5/;

Spečená povrchová kůra formovacího materiálu je většinou tmavá, v důsledku průniku vrstvy oxidů železa do určité hloubky formy mezi křemenná zrna písku. Tato tloušťka je úměrná tloušťce stěny odlitku. Tmavé zbarvení je také způsobeno spálením organických látek (např. obilnin -dextrinu- v bentonitových směsích). Velmi patrné je proniknutí oxidu železa u syrové

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

27

formy z CT směsí metodou CO2, protože tmavá povrchová vrstva není ovlivněna dextrinem ani bentonitem.(obr.7.34 ).

Obr.7.34 – Místa se sekundární struskou v tmavé spečené povrchové kůře formovacího materiálu /10/;

Obr.7.35 – Světlé připečeniny sekundární strusky na povrchu surového ocelového odlitku /10/;

Struska vytváří na povrchu odlitku čočkovitou prohlubeň se sklovitou struskou světlejších silikátů, které v důsledku vysoké tekutosti také pronikají mezi zrna písku (obr.7.35).

Stupeň reoxidace a jeho vliv na kvalitu odlitků je u různých slitin různý. Nejvýznamnější jsou reoxidační pochody v syrové formě u uhlíkových a nízkolegovaných ocelí, kde velké objemové množství reoxidačních produktů může způsobit rozsáhlé vady sekundární struskovitosti na povrchu odlitku. Atmosféra syrové formy je silně oxidační a obsah kyslíku je značně vyšší, než je podmínkou pro termodynamickou rovnováhu oxidačních reakcí. Mangan nejsnáze oxiduje v prostředí vodní páry. Při tom pro vznik sekundární, reoxidační strusky není tak podstatný obsah rozplavené keramiky nebo písku, ale množství kyslíku který je k dispozici v atmosféře formy a jeho aktivita. S rostoucím poměrem Mn/Si v oceli narůstá ve shodě s průběhem křemíkových izoterem rozsah oxidačních vad (viz předešlí). Cr a CrNi oceli vytvářejí sekundární oxidací na povrchu tekuté oceli blány oxidů Cr, které zhoršují zabíhavost a jsou příčinou zavalenin, ale vady ze sekundární struskovitosti jsou malé.

Struskoplynové vady v ocelových odlitcích

Mechanizmus jejich vzniku byl popsán v úvodní kapitole. U ocelových odlitků se hlavně uplatňuje při odlévání na syrovo se zvýšenou vlhkostí formovacích směsí. Při určité konstrukci odlitku se vrstvička tekuté oceli může při stoupající hladině dostat do vnitřního klidu. S ovzduším se proto stýkají stále tytéž podíly taveniny (tišina), kdežto ovzduší cirkuluje. Tato vrstvička kovu se přesycuje kyslíkem, tj. tvoří se oxidický film s FeO a MnO, který reaguje s uhlíkem z oceli podle rovnice (16) za vzniku bublinek CO. Nejbouřlivější reakce probíhá v místě, kde se sekundární struska zachytí na povrchu formy. Tam pak bublinky CO unikají a zvětšují se o difundovaný a asociovaný vodík, případně dusík nebo jiné plyny a vznikají místně orientované bubliny – struskoplynové vady /15/.

V obr.7.35a,b je ocelová ventilová skříň odlévaná na syrovo s rozsáhlou struskoplynovou vadou, která vznikla v horní části patky v místě označeném šipkou. V plynové bublině jsou patrny zbytky oxidické strusky. Vada byla odstraněna úpravou vtokové soustavy a zvýšením licí rychlosti. Taktéž byla snížena vlhkost formovací směsi.

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

28

Obr.7.35a,b – Ocelová ventilová skříň litá na syrovo se struskoplynovou vadou a detailní pohled na vadu /5/;

Reoxidační struska vznikající v kontaktu s vodní párou dutiny formy a v interakci s SiO2 formy obsahuje cca 10 až 30% MnO, 40 až 70% SiO2, 5 až 25% Al2O3 , 3 až 8% FeO a další. Protože je sekundární struska velmi heterogenní konglomerát, jsou analýzy jednotlivých míst značně odlišné. Litinové odlitky

U litinových odlitků neznáme prakticky obdobné povrchové vady se sekundární „bílou“ struskou jako je tomu u ocelových odlitků v obr.7.33 až 7.35. U litiny se vyskytují povrchové vady typu „vláknitá struskovitost“ a povrchová eroze typu „vadný negativ“ (obr.7.22 až 7.27) popsaná ve skupině 511 – exogenní struskovitost .

U litinových odlitků je však velmi hojný výskyt struskoplynových vad, jejichž vznik byl podrobně popsán v úvodní kapitole „Vznik struskoplynových vad (sekundární struskovitost“.) Na obr.7.36a,b jsou příklady oxidačních struskoplynových dutin (sekundární struskovitost) vyplněných částečně struskou, na horní ploše podstavce a ohrubované vodící ploše stolu ze V případě, že sekundární struskovitost během svého vzniku a hlavně pak rozvoje pronikne až na povrch odlitku a je ve styku s atmosférou, její povrch zoxiduje. Tento případ vady je v odlitku na horních plochách podélného stolu frézky ze šedé litiny (obr.7.58a,b).

Obr.7.58a,b – Podélný stůl frézky ze šedé litiny se sekundární struskovitostí na horních plochách /23/; Charakter vad je v obr.7.59a,b,c. Struskoplynová dutina může zasáhnout i do velké hloubky. Zoxidovaný povrch je drsný, modrošedý, matný. Na povrchu jsou místně zbytky sekundární strusky (obr.7.59b,c).

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

29

Obr.7.59a – Povrch vady po jejím rozfrézování /23/;

Obr.7.59b – Povrch vady se zbytky strusky ; 10x

25x Obr.7.59b – Povrch vady /23/;

Při ohledání povrchu vad elektronovým rastrovacím mikroskopem možno pozorovat velmi členitou, při tom relativně pravidelnou strukturu vytvářející jakési síťoví, které pokrývá prakticky celý povrch dutiny (obr.7.60a,b,c,d).

Obr.7.61a,b – Rtg analýza povrchu dutin z obr.7.59a,d /23/;

Rtg spektrum jednotlivých útvarů pak ukazuje na oxidy typu (Al, Si, Ti, Mn, Fe)O s převahou Si, Mn a Fe. Nevyskytují se vůbec vyloučené sulfidy.

Síťoví má podstatně zvýšený obsah kyslíku, a představuje pravděpodobně následnou (terciální?) reoxidaci povrchu.

500x

500x

1 000x

1 500x

Obr.7.60a,b,c,d - Struskoplynové vady se zoxidovaným povrchem /23/;

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

30

Charakter vyloučených sulfidů ve struskoplynových vadách

Ve vadách které jsou definovány jako sekundární struskovitost, ale i bublinatost která je způsobena především vlhkostí prostředí, nacházíme ve vyloučené strusce – oxidech, sulfidy. Sulfidy mají různé tvary a podobu. Především se setkáváme se sulfidy kulového tvaru – zrnité, buď samostatně, nebo v různém uskupení, neb idiomorfní anebo v zcela amorfní (např. obr.7.39, 40, 45, 49, 57) podobě. Vzhledem k tomu, že mohou být tyto útvary lehce zaměněny s různě vyloučenými oxidy nebo vměstky, je k jejich přesné identifikace nutná (rtg) analýza.

Obr.7.61 – Analýza αααα K prvků – a) MnK, b) SK, c) TiK, d) FeK, e) SiK, f) PK /23/;

V obr.7.61 a až f je průběh složení jednotlivých prvků Mn, S, Ti, Fe, Si a P procházející shlukem oxidů (sekundární strusky). Uložení sulfidů a jejich koncentrace je patrná dle maximálních hodnot (piků) na křivce identifikující síru. Dle rozložení manganů je zřejmé, že se jedná o sulfidy MnS. Příklady typického rozložení sulfidů a detailní pohled na jednotlivé shluky sulfidů okazují obr. 7. 62a,b,c,d,e,f,g.

Obr.7.62a,b – Sulfidy v centrálním uskupení/23/; Obr.7.62c,d – Oxisulfidy ve formě shluku /23/;

Sulfidy na povrchu vad však nejsou někdy téměř identifikovatelné, neboť téměř splývají s pozadím, nebo vůbec nepřipomínají obvyklé tvary prostorově vyvinutých sulfidů. Jedná se o tak zvané „plošné sulfidy“, jejichž rozložení zjišťujeme plošnou analýzou rozložení síry a manganu (obr.7.63a,b, 7.63c,d).

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

31

Obr.7.62.e – Sulfidy a TiC /23/; Obr.62.f,g – Sulfidy ve tvaru „stvolů“ /23/;

Na obr.7.63a,b je pohled na část vady sekundární struskovitost při pozorování elektronovým mikroskopem. Žádný z útvarů na povrchu nepřipomíná rozložení sulfidů.

Obr.7.63a,b – Povrch části struskoplynové vady a plošné sulfidy (Mn a S) /23/;

Plošná rtg analýza povrchu ukazuje rozložení sulfidů (z identifikace Mn a S), které mají zcela nepravidelné tvary a zdají se být pouze položeny na povrchu, což však nevylučuje jejich prostorové rozložení do nitra odlitku.

524 Oxidické pleny (Oxid and Dros Inclusion)

Plošné, tenké, nemetalické, většinou spojité vměstky-oxidy ve formě blan, způsobují lokalizované nespojitosti v odlitku. Tyto tenké filmy oxidů vznikajících na volném povrchu taveniny během odlévání jsou zality následkem turbulence odlévaného kovu do vnitřních částí odlitku. Označují se nejčastěji jako pleny, blány, nebo kůže. Podle jejich složení a složení líce formy mohou za určitých okolností reagovat s materiálem formy. Ulpívají pak na stěnách formy a jader a významně zhoršují povrchovou i vnitřní jakost odlitku (viz též „vláknitá struskovitost, vadný negativ“, sekundární struskovitost)).

Hlavní příčiny vzniku oxidických plen a jejich odstranění

Vznik oxidických plen je spojen se sekundární oxidací (reoxidací), která probíhá na povrchu taveniny během transportu, odlévání a plnění formy. Jedná se tedy prakticky o vadu kterou

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

32

bychom mohli zahrnout do sekundární struskovitosti (vada 512). Pro svou vysokou viskozitu a převládající plošný rozměr vytvářejí často rozsáhlé shluky na povrchu a pod povrchem a uvnitř odlitku.

Vady se vyskytují hlavně u vysoce legovaných, chromových a chromniklových ocelí s přísadou titanu, u tvárné litiny, u neželezných slitin, ale i (ovšem podstatně méně) u normálních nelegovaných ocelí a litin .

Na obr.7.93a,b je znázorněn odlitek z tvárné litiny u něhož se na lomových plochách, většinou pod povrchovou kůrou, pod jádry, nebo v blízkosti tepelných uzlů vyskytují vady s oxidickými plenami, černými skvrnami a shluky.

Obr.7.93a. Oxidické struskové pleny a černé skvrny na lomu odlitku z tvárné litiny /23/.

Obr.7.93b. Makroskopický pohled na rozložení oxidických plen a čené skvrny z obr.13.20a, /23/.

V obr.7.94a, je na výbrusu z odlitku ze šedé litiny oxidická plena zakončená shlukem oxidů, jehož detail je na obr.7.94b. Ve shluku jsou patrny vyredukované částice kovu. Vada vzniká buď při zachycení oxidické strusky v tuhnoucí povrchové kůře odlitku, nebo „putuje“ před tuhnoucí frontou do tepelného uzlu odlitku. Tyto struskové vměstky, které se jeví ve struktuře jako struskové či oxidické pleny narušují základní kovovou hmotu a způsobují pokles mechanických vlastností., snížení nepropustnosti tlakově namáhaných dílců a mohou být iniciátorem vzniku staženin trhlin a prasklin. Tyto vady mohou být ovšem též doprovázeny bublinami.

200x

Obr.7.94a – Oxidické pleny v odlitku ze šedé litiny,

400x

Obr.7.94b – Detail oxidické pleny (shluk) /23/; Složení oxidických plen z obr.7.94 je reprezentováno rentgenovou analýzou v obr.7.95. Výrazně převažuje obsah oxidů Mn+Fe, při tom obsah oxidů Si jen mírně převažuje nad oxidy Ti. Oxidy obsahují též výrazné množství sulfidů. Zjištěna je i přítomnost P.

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

33

V obr.7.96 jsou oxidické pleny ve stěně těžkého odlitku z tvárné litiny vytavené ve dvou elektrických obloukových pecích (2 x 5t) o hmotnosti 7,5 tun a tloušťce stěn cca 80 mm. Oxidické pleny mají obdobné složení, jako na obr.7.95. Pozvolné ochlazování v tlustých stěnách odlitku a místní změna chemického složení, především snížený obsah Mg, působí na změny tvaru grafitu, které přechází v anomální typy od červíčkovitého, přes pavoučkový až lupínkový, na úkor původního zrnitého.

Obr.7.95 – Rtg analýza oxidické pleny z obr.94 /23/;

200x

Obr.7.96 – Oxidické pleny v odlitku z tvárné litiny o hmotnosti 7,5 tun /10/;

Další příklady struskových plen na výbrusech z vadných odlitků jsou v obr.7.97 až 7.100 /.209/ V oblasti těchto vad bývají vyloučeny přechodové typy grafitu a i dutiny tvaru bublin. Vylučování lupínkového grafitu a přechodových typů grafitu je způsobeno především sníženým obsahem hořčíku v oblasti vad.

75x Obr.7.97. Struskové vměstky a pleny + chunky grafit;

75x

Obr.7.98. Struskové žíly + lupínkový grafit, /209/.

75x Obr.7.99. Struskové vměstky + lupínkový a chunky grafit , /209/.

75x Obr.7.100. Struskové vměstky + chunky grafit, /209/.

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

34

532 Makroodmíšení (fyzikální odmíšení) (Physical Segregation)

Pod pojmem segregace se rozumí vznik heterogenity chemického složení, bez vzniku nové fáze (segregace prvků). Segregace jako vada homogenity a struktury odlitku je výsledkem fyzikálního děje v důsledku selektivního tuhnutí (krystalizace), tzn. tuhnutí taveniny v rozmezí teplot likvidu a solidu v průběhu určité doby. V průřezu odlitku nebo ingotu dojde tak k chemické nestejnorodosti – makrosegregaci – a to buď v oblasti určitého pásma (zóny), nebo v průřezu celého odlitku (ingotu).

O makrosegregaci hovoříme také jako o pásmové nebo zonální segregaci (odmíšení). Obecně je rozdělujeme na tři pásma (obr.7.119). Šířka pásem je různá, závislá na složení a podmínkách krystalizace (na způsobu odlévání). Zonální segregace vzniká výrazně pouze u masivních odlitků a ingotů

Obr.7.119 - Schéma znázornění krystalizačních zón v ocelovém ingotu /217/;

I. pásmo (primární) – vysoké přechlazení (velké množství krystalizačních zárodků) –

jemné, směrově neorientované rovnoosé globulitické krystaly, II. pásmo (sekundární - transkrystalizační) – kokila se ohřívá, klesá teplotní gradient –

směrově orientované dendrity ve směru odvodu tepla (kolumnární dendrity – sloupkovité krystaly) – v této fázi nastává i výrazné odměšování (čistší část tuhne, část s nižší teplotou tání zůstává kapalná – hlavně znečistění S, P, C),

III. pásmo (terciální, střední) – neorientované velké globulitické krystality

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

35

Odmíšení – nestejnoměrnost chemického složení – z toho vyplývá i heterogenita mechanických vlastností

Druhy odmíšení:

� dendritické – rozdíl mezi složením os a meziosními výplněmi krystalitů hlavně v II. pásmu (likvace),

� pásmové – od povrchu do středu ingotu (hlavně P a S), � vycezeniny (segregace) – v důsledku předchozích složení vyšší koncentrace hlavně

ve třetím pásmu (P a S) – typ odmíšení podle vzhledu (obr.7. 124 ): � A – stvolové vycezeniny – vyplnění kanálků po plynových bublinách event.

vyplouvání taveniny o nižší hustotě, � V – ve středové části „zbrzděné proudění“ – vyplnění mezer vzniklých smrštěním

při tuhnutí � Sedimentační kužel – krystaly před krystalizační frontou klesají dolů a strhávají

především oxidy /217/. Pro ilustraci jako příklad jsou v obr.7.120a,b,c graficky vyneseny úchylky chemického složení v obsahu C, S a Mo v ose ingotu po celé jeho délce od paty až po vrchol hlavy nálitku (vertikálně). Je patrné, že rozložení úchylek jednotlivých prvků je v ose ingotu různé.

a -C

b - S

c - Mo

Obr.7.120 a,b,c – Úchylky od směrného chemického složení ve středové ose a po celé výšce ingotu- vertikálně; a) úchylky v obsahu C, b) – úchylky v obsahu S, c) úchylky v obsahu Mo /215/;

Obr.7.121 – Úchylky obsahu uhlíku (C=0,38) po délce ingotu, stanoveno : povrch, mezikruží, střed /215/;

Obr.7.122 – Numerická simulace MAGMA rozložení uhlíku v ingotu /215/;

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

36

660 – Obrácená zákalka (Inverse Chill)

Obrácená zákalka, nebo též inverzní zákalka tvoří tvrdá místa uvnitř odlitku ze šedé, případně tvárné litiny. Tvořena je většinou bílou, nebo makovou strukturou. Hlavní příčiny vzniku vad a jejich odstranění

Názor na vznik obrácené zákalky není doposud zcela jednotný a některé experimentální výsledky jsou zcela protichůdné. Jedná se především o rozporný vliv obsahu kyslíku a vodíku.

Podle posledních prací /258,259/ má rozhodující vliv:

� pozvolný, co nejpomalejší růst grafitu (lupínkového i zrnitého), � segregace prvků stabilizujících karbidy do středu (tepelné osy) odlitku, � nízká hodnota ekvivalentu uhlíku CE, hlavně při redukci obsahu křemíku, � přítomnost kyslíku nebo argonu v tavenině, � vysoký přehřev taveniny � udržování taveniny delší dobu na vysoké teplotě přehřevu;

Možný vliv:

� vysoký poměr S/Mn, � vyšší obsah Ti v kombinaci s nízkým obsahem S; � zvýšený obsah fosforu

Na vznik obrácené zákalky může působit, ale nebyl prokázán přímý vliv:

� vodíku a dusíku , � rychlosti chladnutí v závislosti na teplotě

V obr.8.52a,b,c jsou struktury z oblastí inverzních zákalek z některých experimentálních prácí. /258,259/.

90x

Obr.8.52a – Zákalka v syntetické litině, CE=3,8%, C= 3%, Si= 2,4%; vakuováno,

Zóna 1: korálový grafit ve feritu, Zóna 2: kompaktní grafit ve feritu, Zóna 3: bílá litina /258/;

90x

Obr.8.52b – Zákalka v syntetické litině, CE=4,82%, C=4,32%, Si=1,5%; taveno v kyslíko-argonové atmosféře, přehřev 300K; zhrublý/ kompaktní grafit obklopený karbidy;

130x

Obr.8.52c – Zákalka v šedé litině, CE= 5,0%, C=4,5%, Si= 1,46%, vakuováno, přehřev 300K, směs mezidendritického kompaktního grafitu, korálového grafitu obklopeného karbidy /258/;

V obr.8.53a,b,c jsou oblasti inverzních zákalek – karbidů ve tvaru karbidických jehlic (desek) ve struktuře tvárné litiny /160,257/.

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

37

250x

Obr.8.53a – Karbidy v oblasti / 160/ inverzního tuhnutí tvárné litiny ;

40x Obr.8.53b – Karbidy v oblasti inverzního tuhnutí šedé litiny /257/

500x

Obr.8.53c – Detail karbidů z obr.8.53a - patrná struktura karbidických desek /160/;

V obr.8.54 a 8.55 jsou příklady vzorků z vadných odlitků ze šedé litiny ze 6 různých sléváren. Z chemického složení jednotlivých vzorků je patrné, že všechny mají vysoký poměr S/Mn, pohybující se v rozmezí 0,28 až 0,64. Tento poměr by měl být < 0.2 (např. S=0,1%, Mn = .0,7% ).

-a-

-b-

-c- -d- Obr.8.54 – Obrácená zákalka v šedé litině /5/;

a)– C=2,75%, Mn=0,23%, S=0,074%, P=1,63%; b)– C=3,09%, Mn=0,36%,S =0,102%,P=1,29%;

-e- c) – C=2,91%, Mn=0,33%, S=0,08%, P=1,67%; d) - C=2,85%, Mn=0,28 %,S=0,104%,P=1,97%; e) - C=2,90%, Mn=0,34%, S=0,140%, P=1,66%;

Vzhledem k vyjmenovaným podmínkám přispívajícím ke vzniku inverzní zákalky, doporučují se i příslušná opatření.proti jejímu vzniku. Především se jedná o všechna opatření vedoucí ke vzniku zatvrdlin a zákalek obecně, jak shora uvedeno.

Obr.8.55 – Obrácená zákalka v odlitku ze šedé litiny, C=3,11%, Si=2,08%, Mn=0,28%, S=0,180%, P=1,42%, S/Mn=0,64% /5/;

Vznik obrácené zákalky neovlivňuje modelové a formovací zařízení a ani vtoková a nálitková technika. Jedná se o opatření v oblasti formovacích a jádrových směsí a formovací techniky. Dále pak z hlediska složení kovu je třeba:

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

38

� kontrolovat a vyhnout se obsahu chromu, telluru a dalším silným stabilizátorům karbidů,

� udržovat vyvážený obsah Mn a S. Obsah Mn má být > jako 1,75 x %S + 0,3 ; Tavení a odlévání

� ve všech fázích výroby (tavení, udržování, odlévání) udržovat atmosféru s minimální vlhkostí a oxidací. (vlhký a nízký plnící koks v kuplovně, vlhké vyzdívky ve všech pecích, žlábky, udržovací a licí pánve, mokré formy a jádra atd.).

� zabránit jakékoliv kontaminaci vsázkových materiálů, materiály které neodpovídají předepsaným komponentům,

� vyhnout se vysokému přehřevu a udržování na této teplotě taveného materiálu, � zajistit dokonalé očkování a odlévání forem v co nekratší době po zpracování

taveniny (doznívací účinek očkování);

680 – Jiné vady mikrostruktury (Other) Defect of Microstructure)

Odchylky mikrostruktury předepsané normami nebo sjednanými technickými přejímacími podmínkami, mimo vad uvedených ve skupinách 610 až 670. Mohou to být anomální tvary nebo neobvyklé způsoby vyloučení strukturních složek, jako na příklad:

grafitová hnízda, primární grafit, chunky grafit, flotace grafitu aj. neobvyklé tvary a rozložení grafitu a anomální struktury základní kovové hmoty u litin; Widmannstättenova struktura, karbidy po hranicích primárních austenitických zrn aj. u ocelí.

Příčiny vzniku vad a jejich odstranění

Příčiny vzniku vad mikrostruktury mohou být velmi rozmanité, spočívající ve společném účinku řady činitelů metalurgických, technologických, tepelného zpracování a jejich vzájemné kombinaci. Vzhledem k tomu, že není možno uvádět všechny varianty, odchylky a vady mikrostruktury jsou uvedeny pouze některé případy a anomálie. Řada z nich byla již uvedena ve skupině vad 640-Nesprávný obsah strukturních složek Další viz příslušná literatura /1,2,257,261-263/.

Vady mikrostruktury rozděluje na vady provázející tuhnutí a na vady vzniklé v procesech po ztuhnutí.

Volně vyloučený primární grafit (Kish Graphite Spots, Inclusions)

Na obr.8.61 je část odlitku válce ze šedé litiny s volně vyloučeným primárním grafitem v různých oblastech lomu. Tato vada byla odhalena při opracování odlitku. Opracovaná plocha je velmi hrubá a porézní a na lomové ploše je tvořena velmi hrubou strukturu s velkými vločkami volně vyloučeného primárního grafitu. Grafit má místně prachovou konzistenci, připomínající t.zv. „stříbřitý grafit“ a lehce se ze struktury uvolňuje (trousí) a silně znečisťuje opracovaný odlitek. Mechanické hodnoty litiny jsou velmi nízké.

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

39

Obr.8.61 – Úlomek odlitku válce ze šedé litiny s volně vyloučeným primárním grafitem /5/;

Obr.8.62 – Část odlitku pouzdra hydrauliky ze šedé litiny s volně vyloučeným primárním grafitem /5/;

Na obr.8.62 je tatáž vada v průřezu rozlomeného rozváděcího pouzdra pro hydrauliku ze šedé litiny. Hrubozrnná struktura s volně vyloučeným primárním grafitem (kisch grafit) prostupuje prakticky celým odlitkem a koncentruje se ve středních oblastech podobně, jako inverzní zákalka.

Příčina vady je � velmi vysoký CE (v poměru k tloušťce stěny) � pomalé chlazení odlitku, vedoucí k tvorbě velmi velkých a hrubých lupínků primárního

grafitu typu A � velký rozdíl v průřezech stěn odlitku � koalescence grafitu do větších útvarů

Opatření proti vzniku vady: � rekonstrukce odlitku za účelem vyvážení konstrukce a eliminace tlustých průřezů, � volba správného CE vzhledem ke konstrukci a snížení obsahu C, � použití surového železa s nízkým obsahem uhlíku (s jemnější strukturou), � využití chladítek a kokil v oblasti tlustých průřezů, � použití pánví se spodní výpustí a čajníkové pánve umožňující časovou prodlevu

(„odstátí taveniny“) před litím; odlévat s přebytkem kovu, aby byl zajištěn zbytek v pánvi po odlití formy,

� odlévat z co nejnižší teploty s ohledem na jiné vady;

Flotace – vyplouvání grafitu

Vyskytuje se především u zrnitého, případně kompaktního tvaru grafitu. Vady „flotace grafitu“ se objevují na lomových, nebo obrobených plochách, jako tmavší oblasti lemující horní okraje lomové (obrobené) plochy

Grafit má podstatně nižší hustotu, tedy měrnou hmotnost jako železo. Má tedy při vylučování v tavenině tendenci k vyplouvání - flotaci. Jestliže má grafit možnost ještě před ztuhnutím odlitku ve formě flotovat, pak se koncentruje ve vršku odlitku, případně ve stěnách odlitku, těsně pod jádry. V případě porušení odlitku, možno pozorovat přímo na lomu tmavé oblasti koncentrace grafitu (obr.8.63, 8.64, 8.65).

Vady odlitků

Vlastislav Otáhal

OtahalConsult

40

Obr.8. 63a,b,c – Flotace grafitu jako funkce CE, a) – CE = 4,45, b) – CE = 4,85, c) – CE = 5,00 (10x) /5/;

Obr.8.64 – Flotace grafity (15x)

Koncentrace uhlíku v tmavě šedé oblasti se pohybuje kolem 5,0 až 6,0 %. Mechanické hodnoty materiálu, zvláště pevnost v tahu, tažnost a rázová houževnatost jsou v oblasti flotace grafitu podstatně sníženy. U pevnosti v tahu je to cca 25%, tažnosti 80% a u rázové houževnatosti o cca 50% /264/.

Flotaci grafitu ovlivňují hlavně následující tři faktory:

� ekvivalent uhlíku CE; � průřez stěn odlitku a � rychlost tuhnutí odlitku.

Flotace grafitu se může projevit u všech nadeutektických tvárných litin u nichž ekvivalent uhlíku překračuje 4,5%. Ekvivalent uhlíku je vyjádřen známým vztahem:

CE = (%C + %Si/3 + (%P/3))

Obr.8.65 a,b - Patrná oblast s flotovaným grafitem na obrobeném povrchu odlitku s hodnotou CE 4,9%, /16/.

Obr.8.66. Grafit ve flotované oblasti (35x) , neleptáno /16/.

Rozsah flotace je malý, jestliže je litina nepatrně nadeutektická (CE těsně nad 4,3%). Efekt flotace je omezen hlavně do silnějších průřezů a nad touto hranicí CE. Projev flotace je patrný i na jemně obrobeném povrchu (obr.8.65a,b). Obr.8.66 ukazují rozložení grafitu ve flotované oblasti

Abychom se u silnostěnných odlitků vyhnuli flotaci grafitu doporučuje se, před zpracováním taveniny hořčíkem a očkováním, zajistit chemickou analýzu taveniny. Vliv uhlíku a křemíku na flotaci je podobný, jako na teplotu prodlevy liquidu (CEL). CEL je zde definován výrazem: CEL = (%C + %Si/4) + (%P/2); Jako prevence proti flotaci by neměly vypočtené hodnoty CEL překročit údaje které uvádí Tab.8.III.