Vady odlitků Atlas Vad

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
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
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
2
Vady odlitků
Tab.1.1b – Seznam tříd, skupin a vad odlitků / 22/;
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
3
Vady odlitků
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
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
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
43
4
Vady odlitků
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
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
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
188
5
Vady odlitků
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
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
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
384
6
Vady odlitků
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.
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
7
Vady odlitků
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.
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
8
Vady odlitků
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 (6509500C) 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
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
9
Vady odlitků
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, 2738% 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.
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
10
Vady odlitků
(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
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
11
Vady odlitků
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
rozsáhlá řada faktorů:
a hluboké zapečeniny působí velmi
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
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
12
Vady odlitků
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 = --------------------r. ρ.g
4. 1.
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
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
13
Vady odlitků
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
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
14
Vady odlitků
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..
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
15
Vady odlitků
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/.
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
16
Vady odlitků
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.
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
17
Vady odlitků
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.
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
18
Vady odlitků
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.
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
19
Vady odlitků
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/;
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
Obr.6.78b – Detailní pohled na bodliny vzniklé reakcí
oxidů na CO /5/;
20
Vady odlitků
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%.
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
21
Vady odlitků
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 formyjádra, 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.
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
22
Vady odlitků
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/.
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
23
Vady odlitků
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..
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
24
Vady odlitků
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)
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
25
Vady odlitků
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
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
26
Vady odlitků
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.
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
27
Vady odlitků
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).
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
28
Vady odlitků
Obr.7.59a – Povrch
/23/;
vady po jejím
rozfrézování
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.
1 000x
500x
500x
Obr.7.60a,b,c,d - Struskoplynové vady se zoxidovaným povrchem /23/;
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
1 500x
29
Vady odlitků
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 α 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).
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
30
Vady odlitků
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
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
31
Vady odlitků
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.
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
32
Vady odlitků
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/.
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
33
Vady odlitků
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
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
34
Vady odlitků
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.
c - Mo
b-S
a -C
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/;
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
Obr.7.122 – Numerická simulace MAGMA
rozložení uhlíku v ingotu /215/;
35
Vady odlitků
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/.
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
36
Vady odlitků
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-
-c-dObr.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%;
-b-
-ec) – 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:
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
37
Vady odlitků
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 /1,2,257,261263/.
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.
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
38
Vady odlitků
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).
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
39
Vady odlitků
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.
Vlastislav Otáhal
OtahalConsult
40