Slika 10.1 Naponsko stanje zategnutog uzorka u funkciji položaja i oblika grafita

Транскрипт

1 10 LEGURE ZA LIVENJE Proizvodi mašinske industrije, globalno posmatrano, imaju u sebi najviše ugradjenih valjanih metalnih produkata pa onda odlivaka (1/3 ukupnog materijala). Ekonomski opravdana izrada odlivaka traženog kvaliteta i bez grešaka moguća je samo od odredjenih legura koje poseduju dobru livkost. Pod pojmom livkosti obuhvaćen je skup livačkih osobina vezanih kako za samu leguru, tako i za kalupnu šupljinu (formu) u koju se tečan metal izliva. Livačke su osobine uglavnom: topljivost, tečljivost i livkost, apsorpcija gasova, segregacija, promena zapremine pri očvršćivanju i hladjenju, rečju livačko skupljanje. Topljivost je sposobnost metala i legura da pri zagrevanju mirno predju iz čvrstog stanja u tečno, obrazujući pri tome homogen rastop. Zavisno od temperature topljenja (T t ) i livenja (T l ), legure Ti, Fe i Ni svrstavaju se u legure sa visokom T t, legure Cu sa srednjom T t i legure Al, Mg, Zn, Pb i Sn sa niskom temperaturom topljenja. Najbolje su topljive eutektičke legure i uopšte legure sa niskom Tt, malom specifičnom toplotom i latentnom toplotom topljenja. Tečljivost se definiše kao recipročna vrednost dinamičke viskoznosti i zavisna je, za dati materijal, od temperature tečnog metala (liva). Za livačku praksu najvažnija karakteristika je tečljivost izmerena pri temperaturi liva za vreme popunjavanja kalupa. Odredjuje se probama u spiralnom kalupu. Kad se kaže da legura ima dobru livkost podrazumeva se da može popuniti kalup složenog oblika, pre nego što liv očvrsne. Ostale, gore navedene osobine legura (apsorpcija gasova, segregacija, livačko skupljanje) izučavaju se u fizičkoj hemiji, metalurgiji i tehnologiji livenja. Najvažnije legure za livenje dele se na: 1) Livačke legure gvoždja: liveno gvoždje i čelični liv, 2) Livačke legure neželeznih metala: laki metali i legure (gustina manja od 4.5 kg/dm 3 ) i teški metali i legure (gustina veća od 4.5 kg/dm 3 ).

2 246 Mašinski materijali Neželezne livačke legure uglavnom su legure aluminijuma (Al-Si, Al-Mg), legure bakra (bronze, mesinzi) i ostale (legure Mg, legure Zn, legure Ni, legure Pb i ležišne legure olova i kalaja) Liveno gvoždje Livena gvoždja, ili kako se još zovu tehničke legure gvoždja, sadrže više od 2% C kao i Si, Mn, P i S. Svi ovi sastojci u znatnoj meri utiču na korisne osobine legura gvoždja, a naročito Si (1-3%) pa se one mogu smatrati trojnim legurama Fe-C-Si. Liveno gvoždje se dobija pretapanjem sivog sirovog gvoždja (uz dodatak starog gvoždja) u kupolnoj peći, plamenoj peći i sve češće u električnim lučnim ili indukcionim pećima. Medju najveće potrošače odlivaka spada energetika, mašinogradnja, rudarstvo, hemijska industrija i industrija motornih vozila. Livena gvoždja se klasificiraju prema strukturi, odnosno uglavnom na osnovu stanja u kome se javlja ugljenik kao i oblika slobodnog ugljenika (grafita). Najnepovoljniji je lamelarni oblik grafita jer najviše narušava metalni kontinuitet, smanjujući time jačinu i istegljivost legure. Na slici 10.1 prikazan je uticaj različitih oblika i položaja grafita na naponsko stanje pri opterećenju na zatezanje u pravcu ose y. Grafit Grafit Naponske linije Naponske linije Slika 10.1 Naponsko stanje zategnutog uzorka u funkciji položaja i oblika grafita Livačke legure na bazi gvoždja, zavisno od stanja u kome se pojavljuje ugljenik dele se na sivo i belo liveno gvoždje (LG), a u širem smislu i na čelični liv (ČL). Kod sivog LG jedan deo ugljenika vezan je u cementit, a drugi deo je slobodan u vidu grafita, dok je kod belog LG sav ugljenik sadržan u cementitu. Prema obliku grafita u sivom livenom gvoždju razlikuju se: sivi liv - SL (lamelarni grafit), nodularni liv - NL (zrnast grafit) i temper liv - TeL (grafit oblika snežnih pahuljica). Osobine livenih gvoždja iste vrste u velikoj meri zavise od veličine i oblika odlivka, pa se zato u okviru iste klase dalje podele izvode prema mehaničkim osobinama (vidi tab i 10.2), a redje po hemijskom sastavu (tab. 10.3).

3 Legure za livenje Sivi liv Od već navedenih oblika grafita u livenim gvoždjima najnepovoljniji je lamelarni, jer preseca metalnu masu i stoga smanjuje jačinu na kidanje i još više istegljivost. I pored toga, sivi liv je najvažniji materijal za izradu odlivaka. Izgled mikrostrukture perlitnog sivog liva dat je na slici Naziv sivi liv potiče od tamnog izgleda prelomljenog odlivka. Od ukupne količine ugljenika u sivom livu, najviše - 0.8% C vezano je u obliku karbida gvoždja (cementit- Fe 3 C sadržan u perlitu), a preostala količina izlučena je u obliku lamelarnog grafita. U sivom livu nema slobodnog cementita, već samo u vidu eutektoida-perlita. Slika 10.2 Mikrostruktura perlitnog sivog liva Metalna osnova (matrica) livenog gvoždja, zavisno od % C i % Si može biti perlitna, perlitnoferitna i feritna (slika 10.3). Moguće strukture livenog gvoždja zavisno od sadržaja Si i C daje Maurerov dijagram (sl. 10.4), odnosno Grajner - Klingenštajnov dijagram 1 (sl. 10.5) koji uzima u obzir (C + Si) i debljinu zida odlivka. Grafit Grafit Perlit Grafit Ferit Ferit Perlit Slika 10.3 Strukture feritnog (a), feritno - perlitnog (b) i perlitnog (c) livenog gvoždja Ferit je mek, žilav i veoma duktilan, ali male jačine (R m = 250 MPa). Perlit je eutektoid koji nastaje polimorfnim preobražajem austenita pri temperaturi ispod 727ºC. Perlitno sivo liveno gvoždje najjače je medju navedenim vrstama sivih livova, jer perlitu odgovara R m = 700 MPa. 1 Ovi dijagrami, kao i izrazi 10.1 i 10.2, za CE i Sc, odnose se ne samo na sivi liv, već na sve vrste livenih gvoždja. Maurerov dijagram danas nema veći značaj jer ne uzima u obzir brzinu hladjenja, tj. debljinu zida odlivka, a pominje se uglavnom iz istorijskih razloga.

4 248 Mašinski materijali Iz dosadašnjeg razmatranja vidi se da je metalna matrica sivog liva u stvari čelična, a da je razlika samo u slobodnom ugljeniku - grafitu. Ako je u legurama Fe-C, sadržaj ugljenika veći od 2% jedan njegov deo se sjedinjuje sa Fe, a preostali deo ugljenika, pri sporom hladjenju, taloži se u obliku praška-grafita. 5 Sadržaj C, % I I' II III II' I - Belo liveno gvoždje (tvrdi liv) II - Perlitno sivo liveno gvoždje III -Feritno sivo liveno gvoždje I' - Prelazne strukture izmedju belog i sivog livenog gvoždja (melirano liveno gvoždje) II' - Prelazne strukture izmedju feritnog i perlitnog livenog gvoždja Sadržaj Si, % Slika 10.4 Maurerov dijagram 8 Sadržaj (C + Si), % I I' II II' III I - Belo liveno gvoždje (tvrdi liv) II - Perlitno sivo liveno gvoždje III -Feritno sivo liveno gvoždje I' - Prelazne strukture izmedju belog i sivog livenog gvoždja (melirano liveno gvoždje) II' - Prelazne strukture izmedju feritnog i perlitnog livenog gvoždja Debljina zida, mm Slika 10.5 Grajner-Klingenštajnov dijagram Hemijski sastav sivog liva obično je u granicama: % C; % Mn; 1.5-3% Si; % P i % S. Sniženje sadržaja ugljenika ispod 2.8% pogoršava livkost, a povećanje iznad 3.5% daje više grafita i pogoršava mehaničke osobine. Pored povećanog sadržaja ugljenika u odnosu na čelik, može se uočiti da sivi liv ima i povećan sadržaj Si i P. Uticaj silicijuma je veoma značajan jer on umanjuje rastvorljivost ugljenika u gvoždju, pa ostaje više slobodnog ugljenika u vidu grafita. U tom smislu povećanje sadržaja silicijuma za 1% odgovara smanjenju sadržaja ugljenika za 0.3%, što pomera eutektičku tačku ka nižim % C. Ipak sadržaj Si ne sme preći 3% jer se stvara veoma tvrd fero-silicijum. Uzimajući u obzir da na eutektičku tačku pored C utiče Si i u nešto manjoj meri P, uvodi se tzv. ekvivalentni ugljenik (CE) kojim se procenjuje da li je liveno gvoždje podeutektičko ili nadeutektičko:

5 Legure za livenje 249 %Si % P CE = % C + +. (10.1) 4 2 Ako je sadržaj Si u livenom gvoždju nizak, ili ako je brzina hladjenja odlivka velika, ili ako su prisutni i karbidotvorni elementi nastaće očvršćivanje po metastabilnom sistemu (Fe-Fe 3 C). To liveno gvoždje ima skoro sav ugljenik vezan u obliku karbida gvoždja Fe 3 C i zove se belo liveno gvoždje. Odstupanje hemijskog sastava livenog gvoždja od eutektičkog sastava definiše se stepenom eutektičnosti (Sc): % C Sc = (10.2) (% Si + % P) Eutektičkom sastavu livenog gvoždja odgovara Sc = 1, podeutektičkom Sc < 1 i nadeutektičkom Sc > 1. Jačina na kidanje šipki od sivog liva direktno zavisi od Sc prema izrazu: R m = Sc, MPa. (10.3) Ovaj Patersonov izraz važi za uzorke prečnika 20 mm, dobijene mašinskom obradom štapova (φ30 mm ) odlivenih u suvim kalupima. Liveno gvoždje sa povećanim sadržajem Si očvršćava u peščanim kalupima kao sivo. Pošto fosfor znatno popravlja livkost i otpornost na habanje, ali povećava i krtost (mreža steadita-trojne eutektike perlita, cementita i Fe 3 P) njegov sadržaj se može znatno varirati.tankozidni masovno produkovani odlivci, koji ne prenose spoljašnje opterećenje npr. rešetke, ploče i vratanca peći, grejači (rostovi), kade, levkovi, sadrže s obzirom na popravljanje livkosti, % P (obični, opšti, trgovački kvalitet). Suprotno, kod odlivaka namenjenih za delove mašina (mašinski liv) ograničava se sadržaj P na % s ciljem da se smanji krtost; samo u slučaju kada je primarni zahtev otpornost na habanje (cilindarske košuljice-hilzne) dopušta se i kod mašinskog liva 0.8-1% P. U cilju usitnjavanja grafita, to znači popravljanja strukturnih i mehaničkih osobina, izvodi se modifikacija livenog gvoždja. Modifikacija se zasniva na tome da se rastopljenom livenom gvoždju, bilo u žlebu peći (koritance za ispuštanje tečnog liva), u livačkom loncu ili u ulivnoj čaši, dodaje grafitizacioni modifikator (inokulant). Kao modifikatori najčešće se koriste 75% fero-silicijum (Fe-Si) ili 60% silikokalcijum (Si-Ca) (u oba se slučaja % odnosi na Si). Modifikator se dodaje u zrnastom obliku granulacije zavisne od mesta gde se on nasipa: u koritu mm, 5-10 mm u livačkom loncu i 5-50 mm u ulivnoj čaši za odlivke od 5000 do 7000 kg. Količina ubačenog fero-silicijuma iznosi %, a silikokalcijuma % u odnosu na masu odlivka. Delovanje modifikatora prestaje posle min, pa se izlivanje u kalupe mora završiti pre isteka tog vremena. Ovaj tretman

6 250 Mašinski materijali omogućuje da se kod odlivaka različite debljine zidova dobije perlitna struktura u kojoj su ravnomerno rasporedjene i medjusobno izolovane grafitne lamele srednje veličine. Modifikaciji se podvrgavaju livena gvoždja sa relativno malim sadržajem C ( %) i Si ( %), koja bi bez inokulanata imala strukturu meliranog liva (ledeburit, perlit i grafit). Na osnovu minimalne jačine na kidanje sivi liv se deli na sledeće klase (tablica 10.1): Tablica 10.1 Mehaničke karakteristike sivog liva Klasa SL SL100 SL150 SL200 SL250 SL300 SL350 SL400 min R m, MPa max HB Klase date u tablici 10.1 spadaju u mašinski liv, s tim što se tri zadnje klase proizvode modifikacijom. Osim toga, proizvodi se i SL000 bez garantovane jačine (trgovačkog kvaliteta). Odlivci od sivog liva imaju nisku tvrdoću, malu jačinu na kidanje, ali 3-5 puta veću jačinu na pritisak. To je zato što napone zatezanja prenosi samo metalna osnova, a ne i lamele praškastog grafita, dok pri dejstvu pritiska i one učestvuju u raspodeli napona. U pozitivne osobine sivog liva spadaju: relativno jevtina proizvodnja, dobra livkost, dobra mašinska obradljivost odlivaka i otpornost na abraziju. Sem toga, unutrašnje grafitne lamele čine da sivi liv dobro prigušuje oscilacije (deluju kao amortizer pri udarnom ili naizmenično promenljivom opterećenju) Takodje, sivi liv ima i dobre klizne osobine jer grafit deluje kao mazivo. To je i razlog što se odlivci od sivog liva koriste za blokove motora, klipne prstenove (karike). Antifrikcione osobine odredjene su odnosima perlita i ferita u metalnoj matrici, kao i količinom i oblikom grafita. Za veća opterećenja traži se bar 85% perlita. Zahvaljujući prigušenju oscilacija, od sivog liva izradjuju se postolja mašina alatki, ploča za temelje dinamički opterećenih mašina i sl., a zahvaljujući otpornosti na habanje izradjuju se i kočioni diskovi i doboši. Takodje se liju ulični protivpožarni hidranti, kojima je krtost prednost jer se lako lome pri eventualnom udaru automobila. Mana odlivaka od SL je velika osetljivost na sve vrste koncentratora napona (površinske prsline, nagle promene preseka, zarezi). To se umanjuje konstrukcionim merama (radijusi zaobljenja), metalurškim merama (modifikacija) i termičkom obradom (popuštanjem zaostalih napona). U tom se cilju odlivci žare pri ºC, što ne samo da smanjuje napone već i stabilizuje dimenzije. Vreme držanja na temperaturi žarenja je 3 do 10 sati zavisno od oblika i veličine odlivka. Hladjenje posle žarenja mora da bude sporo što se izvodi zadržavanjem odlivka u peći dok se zajedno ne ohlade do sobne temperature. Na ovaj način snižava se nivo zaostalih napona za 80-90%. Ponekad se koristi prirodno starenje za

7 Legure za livenje 251 popuštanje napona u odlivcima. To se postiže držanjem odlivaka u skladištu livnice u roku 6 do 10 meseci Nodularno (duktilno) liveno gvoždje (NL) Slika 10.6 Mikrostruktura feritno-perlitnog nodularnog liva Nodularni liv spada u relativno nove livačke legure budući da je pronadjen i patentnim pravom zaštićen godine. To je u suštini visokokvalitetno sivo liveno gvoždje sa grafitom zrnastog (nodularnog, sfernog) oblika, ravnomerno rasporedjenim u metalnoj matrici (sl. 10.6). Sferni tj. loptasti oblik grafita postiže se uvodjenjem u prethodno desumporisani rastop male količine magnezijuma (u metalnom obliku ili legure sa Cu ili Ni) i zatim modifikacijom. Time se zadržavaju dobre livačke osobine kao kod sivog liva, uz neuporedivo bolje mehaničke osobine koje dostižu ili čak prevazilaze odlivke od čeličnog liva. Mehaničke osobine nodularnog liva, uslovljene metalnom matricom koja može biti: feritna, feritno-perlitna, perlitna, date su u tablici 10.2, gde je: R m - jačina na kidanje, R p - konvencionalni napon tečenja, A izduženje. Iz priložene tablice se vidi da se mehaničke osobine nodularnog liva mogu uporediti sa termički obradjenim čelicima. Iz tog aspekta, i uz to i niže produkcione cene, odlivci od nodularnog liva uspešno konkurišu čeličnim odlivcima, pa čak i otkovcima. U tom smislu najveća je upotreba odlivaka od nodularnog liva u motornoj industriji, za koju se danas liju: bregaste osovine, klipnjače, delovi pogonskog i upravljačkog sistema, kolenasta vratila, te veoma opterećeni zupčanici, šarke za vrata motornih vozila, vretena mašina alatki, delovi industrijskih armatura (ventili i sve što uz njih ide), kao i valjci valjaoničkih stanova (železarski valjci). Tablica 10.2 Mehaničke karakteristike nodularnog liva min R m, MPa min R p, MPa min A 5.65, % Tvrdoća, HB Struktura feritna feritna feritno-perlitna perlitno-feritna perlitna perlitno-sorbitna

8 252 Mašinski materijali Osnovni principi izrade nodularnog livenog gvoždja Mada je ova problematika više metalurške prirode, korisno je ovde navesti osnove produkcije nodularnog liva. Kao što je poznato, liveno gvoždje pored osnovnih elemenata Fe, C, Si, sadrži prateće elemente Mn, P, S i tzv. legirajuće elemente, kao npr. Cu, Ni, Cr, V, Mo. Prisutni su i antikoagulacioni elementi koji otežavaju kristalizaciju grafita, kao npr.: Pb, Ti, Bi, Sb i As. Najzad, svako liveno gvoždje sadrži i dvoatomne gasove O 2, N 2, H 2, kao i nemetalne uključke. U livenom gvoždju, koje sadrži navedene elemente (prateće, legirajuće, štetne) i gasove - drugim rečima, "prljavom livenom gvoždju"- uvek će se ugljenik izlučivati u lamelarnom obliku. Ako se "prljavo" gvoždje rafiniše (prečisti) dobiće se nodularni liv sa slobodnim ugljenikom u obliku manje ili više savršenih sfera (zrna, nodula). Ovo rafinisanje livenog gvoždja odnosi se pre svega na desumporisanje (smanjenje sadržaja S na 0.01 do 0.08%) bilo metalurškim merama ili pogodnim izborom sirovina za šaržiranje kupolne peći ili elektro peći. Dalje je neophodno sniziti sadržaj gasova (naročito kiseonika) i nemetalnih uključaka, čime se još više olakšava izdvajanje ugljenika u nodularnom (zrnastom) obliku. Kao najuspešniji se za ovu dezoksidaciju u praksi pokazao magnezijum, mada to u principu mogu biti kalcijum ili cer kao i drugi elementi visokog afiniteta prema kiseoniku i sumporu (skandijum, itrijum, torijum). Može se dobiti nodularni grafit i bez dezoksidatora, pod uslovom da se najčistije Fe-C-Si legure tope u vakuumu. Uvodjenje u rastop čistog Mg pri T 1500ºC nije jednostavno, jer on naglo isparava pa pritisak zasićenih para izaziva eksplozivno prštanje; preostali magnezijum isplivava na površinu i trenutno sagoreva. Postoje danas brojna tehnička rešenja za uvodjenje bilo čistog Mg ili u vidu predlegure. I ovde se posle tretiranja magnezijumom uvodi modifikator (75% Fe-Si) radi smanjenja sklonosti odlivaka ka odbeljivanju tj. formiranju cementita. Cena nodularnih odlivaka po kilogramu mnogo je veća nego odlivaka od sivog liva. To se kompenzuje znatno boljim osobinama, pogotovu što se neke klase nodularnog liva mogu kaliti postupkom austempering. Najnovija vrsta sivog livenog gvoždja je tzv. vermikularni liv u kome je grafit izdvojen u kompaktnom obliku (CGI). Dugo je predstavljalo laboratorijski kuriozitet, jer ga je bilo teško proizvesti, a objedinjavalo je dobre osobine sivog liva i nodularnog liva. Grafit se u CGI gvoždju javlja u neprekidnom isprepletanom obliku, pa otuda i naziv isprepletano (Vermicular) liveno gvoždje. Komercijalna proizvodnja CGI dugo je odlagana jer se količina legirajućih dodataka mora toliko precizno kontrolisati da je to donedavno bilo moguće samo u laboratorijskim uslovima (npr. ako sadržaj Mg odstupi 0.005% od predvidjenog rezultat će biti nezadovoljavajući). Danas je problem rešen udruženim razvojnim naporima Foote Mineral Co. u British Cast Iron Research Association. Legirajući dodaci magnezijuma, titana i elemenata retkih zemalja 1 uvode se u paketu prema receptu navedenih firmi. 1 U periodnom sistemu, elementi izmedju 57 La i 72 Hf su retke zemlje.

9 Legure za livenje 253 Delovi izradjeni od CGI dostižu jačinu na kidanje, zamornu jačinu, termičku provodnost i istegljivost nodularnog liva, a prigušivanje udara, amortizovanje vibracija, mašinska obradljivost i livačke karakteristike dostižu ili prevazilaze sivi liv (popunjavanje kalupa i livačko skupljanje je čak bolje od SL). Kombinacija jačine i velike toplotne provodljivosti čine ovaj liv pogodnim za blokove motora, kočione doboše, izduvne grane motornih vozila, kao i za kućišta pumpi visokog pritiska Temperovano liveno gvoždje (TeL) Slika 10.7 Mikrostruktura feritnog crnog temper liva Pod pojmom temperovanje podrazumeva se naknadno žarenje (grafitizacija) ili razugljenisavanje odlivaka strukture belog livenog gvoždja (Fe 3 C). Hemijski sastav temper liva kao tehničke legure Fe-C-Si je podeutektički. Ugljenik se pri očvršćivanju odlivaka u kalupu izdvaja u vidu karbida Fe 3 C- cementita. Na sobnoj temperaturi struktura odlivka pre temperovanja sastoji se iz perlita, ledeburita i cementita. Ovu strukturu moguće je dobiti brzim hladjenjem i ograničavanjem količine grafitizacionih elemenata (C, Si i P). Pošto na livačke osobine i na vreme temperovanja povoljno utiče povišenje sadržaja C i Si, to se njihova količina usvaja kao kompromis izmedju ovih protivurečnih zahteva. Osim toga, sklonost ka grafitizaciji pri očvršćivanju može se umanjiti i malim dodacima bizmuta ili telura, što omogućuje da se belo liveno gvoždje dobije i kod odlivaka velike debljine zida (veće od 50 mm). Na vreme temperovanja povoljno utiču aluminijum i bor, jer potpomažu grafitizaciju upravo pri žarenju. Crni temper liv dobija se žarenjem u neutralnoj atmosferi (bez O 2 ), a beli u oksidacionoj atmosferi. Odlivci od temper liva nešto su jevtiniji od odlivaka nodularnog liva. U poredjenju sa lamelarnim grafitom, pahuljasti ugljenik zvani temper-ugljenik, znatno manje snižava jačinu i duktilnost metalne matrice (uglavnom feritne, sl. 10.7). Nekada se postupak temperovanja za dobijanje crnog TeL izvodio u čeličnim sanducima napunjenim peskom ili šljakom, a danas u gasnoj atmosferi azota (bez prisustva kiseonika). Razlaganje cementita (sl. 10.8) nastaje u dve faze; u prvoj fazi razlaže se cementit iz ledeburita (smeše austenit + cementit), pri T 1000ºC, što se naziva prvim stadijumom grafitizacije: Fe 3 C 3Fe + C, (10.4)

10 254 Mašinski materijali koji traje sve do uspostavljanja ravnoteže izmedju izlučenog temper-ugljenika (C), i na toj temperaturi zasićenog austenita. U drugoj fazi žarenja presićenog austenita, pri T 700ºC, koriste se dve, a katkad i tri varijante hladjenja prikazane na slici Kriva 1 odgovara veoma sporom hladjenju oko temperature A 1 ( ºC/3-5ºC/h), tako da se formira feritna metalna osnova, obogaćena dodatnim temper ugljenikom u toku drugog stadijuma grafitizacije (Fe 3 C iz perlita razlaže se prema relaciji 10.4). Temperatura, C 1000 A 1 Prva grafitizacija (Fe 3 C iz ledeburita 3Fe + C) Perlitna osnova (3) Druga grafitizacija (Fe 3 C iz perlita 3Fe + C) Feritnoperlitna osnova (2) 3-5 C/h od C Feritna osnova (1) Vreme, h Slika 10.8 Shema temperovanja: 1- feritna osnova, 2- feritno - perlitna osnova, 3- perlitna osnova Pri znatno većoj brzini hladjenja (20ºC/min od ºC, kriva 3) dobija se perlitna osnova sa % ugljenika u vezanom obliku (Fe 3 C). U ovom slučaju slobodan ugljenik rasporedjen u metalnoj osnovi potiče samo od prvog stadijuma grafitizacije, jer u ovim uslovima hladjenja (po liniji 3, sl. 10.8) izostaje druga grafitizacija. Perlitni temper liv može se kaliti i otpustiti pa se često zove martenzitni temper liv. Posle kaljenja površinska tvrdoća može dostići 60 HRC. Ako se legura pothladi brzinom oko 20ºC/min do 500ºC, i pri ovoj temperaturi izotermički žari dobiće se feritno-perlitna osnova sa dodatnim temper ugljenikom izlučenim u drugom stadijumu grafitizacije (po liniji 2, sl. 10.8). Ovaj se postupak redje koristi, tako da se uglavnom razlikuju feritni, perlitni i martenzitni temper liv (otpušteni). Feritni temper liv (R m = MPa, A 5.65 = 10-12%, 163 HB) upotrebljava se za delove koji rade pod velikim statičkim i dinamičkim opterećenjem (kućišta reduktora, kućišta pogonskih osovina, glavčine, kuke, beočuzi (grivne)). Manje opterećeni delovi kao što su poklopci šahti, navrtke, cevne spojnice i zatvarači izradjuju se od feritnog temper liva sledećih osobina: R m = MPa, 270 HBS i A 5.65 = 2-5%. Posebno se izdvaja po dobrim antifrikcionim osobinama, zahvaljujući metalnoj osnovi otpornoj na habanje i podmazujućim svojstvima temper ugljenika. Ugljenik u temperovanom gvoždju pomaže zadržavanje i deponovanje maziva (masti, ulja); u porozne površine temper-gvoždja utiskuju se abrazivne čestice stvorene pri radu kliznih ležišta, čime se umanjuje oštećenje ležišnih površina. Zato se

11 Legure za livenje 255 odlivci od temper liva često koriste za jako opterećene ležišne površine kod automobila, kamiona, železničkih vagona, poljoprivrednih mašina i mašina alatki. Osim toga od perlitnog temper liva prave se univerzalne spojnice, karike i valjci konvejerskih lanaca, kočione papuče, kardanski zglobovi. Temper liv uglavnom se koristi za tankozidne odlivke, suprotno nodularnom livu koji je namenjen za delove debljih zidova. Beli temper liv dobija se temperovanjem (žarenjem) odlivaka na 1000ºC u oksidacionoj atmosferi u toku nekoliko desetina sati. Nekada korišćeno žarenje u sanducima sa hematitom i kovarinom sa dodatkom peska danas je zamenjeno gasnom atmosferom koju čine vazduh i vodena para. Raspad eutektičkog cementita i razugljenisavanje odvijaju se prema reakcijama: Fe 3 C 3Fe + C i C + CO2 2CO. (10.5) U toku žarenja jedan deo ugljenika iz površinskih slojeva se oksidiše, a drugi deo prelazi u grafit, tako da u jezgru ostaje više ugljenika. To dovodi do difuzije ugljenika ka periferiji. Na dubini 6-8 mm od površine nastaje potpuno razugljenisavanje, odnosno feritna struktura, zatim dalje po dubini feritno-perlitna i perlitna, dok u jezgru ostaje temperovani ugljenik. Iz tog razloga (zaostali temper ugljenik) se ovom načinom temperovanja ne podvrgavaju odlivci deblji od 12 mm. Naziv beli temper liv (BTeL) potiče od srebrnaste (bele) boje preloma usled razugljenisanog preseka, tj. feritne strukture. Dodatna odlika belog temper liva, potpuno razugljenisanog, jeste dobra zavarljivost, ali rdjavija mašinska obradljivost u odnosu na crni temper liv. Stoga se beli temper liv i upotrebljava za nisko opterećene odlivke koji ne zahtevaju veću mašinsku obradu, kao što su npr. delovi poljoprivrednih mašina, artikli kućnog domaćinstva, cevne spojnice (pocinkovane), brave za vrata, nosači za vešanje izolatora visokonaponske mreže i sl. Hemijski sastav polaznog materijala za dobijanje odlivaka strukture crnog i belog preloma dat je u tablici Tablica 10.3 Hemijski sastav livenog gvoždja za temperovanje Vrsta liva Hemijski sastav, % C Si Mn P S Cr max CTeL BTeL Zavarljiv BTeL max 0.05 < Iako su u tablici 10.3 dati rasponi variranja C i Si njihov zbir ne treba da predje %, iz razloga da se prilikom izrade odlivaka ne javi slobodan ugljenik. Takodje se iz tab može uočiti da polazni materijal za beli temper liv ima veći sadržaj ugljenika, jer veliki deo tog ugljenika sagoreva pri temperovanju u oksida-

12 256 Mašinski materijali cionoj sredini. Suprotno tome ugljenik se kod odlivaka temperovanih na crni prelom zadržava u celini Belo liveno gvoždje Belo liveno gvoždje (svetao prelom) je legura Fe-C u kojoj je celokupna količina ugljenika vezana u obliku cementita. U industrijskoj praksi se pod pojmom belo liveno gvoždje podrazumeva odlivak koji ima po celom preseku uniformnu, bezgrafitnu strukturu. Pod pojmom odbeljivanje ili odlivak dobijen odbeljivanjem, podrazumeva se da samo površinski slojevi imaju strukturu belog livenog gvoždja, a jezgro strukturu sivog liva. Kod tankozidnih odlivaka to se postiže velikom brzinom hladjenja, a kod debljih odlivaka dodavanjem legirajućih elemenata koji otežavaju grafitizaciju (do 2% Cr, do 5% Ni, do 1% Mo ili do 2% Mn); pri tome je % Si < 1. Po hemijskom sastavu to je podeutektičko liveno gvoždje ( % C), a struktura belog livenog gvoždja je perlitno-cementitna, koja sa porastom legirajućih elemenata prelazi u bejnitnu ili martenzitnu. Belo liveno gvoždje je tvrdo (550 HB), veoma otporno na habanje, a ove osobine zadržava i preko 400ºC, dok ugljenični čelici uz manju otpornost na habanje, na ovim temperaturama već pokazuju pad tvrdoće. Mašinska obrada belog livenog gvoždja moguća je samo pomoću alata od sinterovanih karbida, ali to nije presudno budući da se od belog livenog gvoždja uglavnom izradjuju odlivci koji ne zahtevaju veću obradu rezanjem. To su npr. pužni prenosnici i ekstruderi mešalica i transportera rasutih materijala, kugle drobilica, kočioni valjci i dr. Veću primenu ima livenje odbeljivanjem, naročito pri izradi valjaka za železare i postolja mašina alatki. Kod železarskih valjaka potrebno je selektivno odbeljivanje što znači da se na radnom delu valjka dobije struktura belog livenog gvoždja, a na rukavcima struktura sivog livenog gvoždja. Zato se valjci liju u kalupima koji su na radnom delu od livenog gvoždja (kokila = metalni kalup), a na rukavcima od peska (peščani kalup). Time se postiže velika brzina hladjenja radnog dela i njegovo odbeljivanje, a rukavci zadržavaju strukturu antifrikcionog materijala (slobodan grafit). Dalje se od belog livenog gvoždja izradjuju kočnice vagona, čeljusti drobilica, kalupi za sinterovanje, kalupi za cigle i sl. Postolja mašina alatki (strugova, glodalica, rendisaljki) liju se u peščanim kalupima sa selektivno ugradjenim rashladnim elementima (npr. čeličnim pločama) smeštenim ispod tankog sloja kalupne mase i to samo na mestima koja treba otvrdnuti. Posle odbeljivanja dobija se otvrdnuta zona na dubini 12 do 30 mm. Zbog neuniformne strukture po preseku i neravnomernog hladjenja pojavljuju se veliki zaostali naponi, koji se otklanjaju popuštanjem na 550ºC. Visokolegirana gvoždja mogu biti nodularna, siva ili bela, a sadrže 3-30% legirajućih elemenata. Najviše se primenjuju bela visoko legirana livena gvoždja čiji su odlivci velike tvrdoće i ekstremno otporni na habanje (abraziju). Visokohromno gvoždje (oko 16% Cr) istovremeno je otporno na habanje i oksidaciju i ima dobru žilavost. Gvoždja koja sadrže 14-24% Ni su austenitna, imaju odličnu korozionu

13 Legure za livenje 257 otpornost i nisu magnetična. Gvoždje sa 36% Ni poznato je po ekstremno niskom koeficijentu termičkog širenja, a takodje je koroziono otporno i nemagnetično. Ova je legura poznata kao invar Čelični liv (ČL) Čelični livovi su legure gvoždja i ugljenika (do 1.5% C) od kojih se izradjuju odlivci izloženi u radu visokim dinamičkim opterećenjima. Podela čeličnih livova, kad je reč o hemijskom sastavu, analogna je podeli čelika. U poredjenju sa livenim gvoždjem, čelični liv ima veće livačko skupljanje (za ČL %, a za sivi liv 1%), višu temperaturu livenja ( ºC) i lije se samo u suvim peščanim kalupima. Zbog manje tečljivosti i znatnog livačkog skupljanja, potreban je ulivni sistem većeg preseka kao i hranitelji tj. rezerve tečnog liva za popunjavanje šupljina-lunkera stvorenih usled skupljanja liva. Niskougljenični čelični livovi i neki legirani livovi nemaju dovoljnu livkost. Sa povećanjem sadržaja ugljenika livkost postaje bolja tako da pri livenju srednje i visokougljeničnog čeličnog liva nema teškoća pri ispunjavanju kalupne šupljine, niti pojave strukturnuh grešaka. Fizičke i hemijske osobine čeličnog liva praktično se ne razlikuju od čelika istog sastava. Što se tiče mehaničkih osobina, a naročito svojstava plastičnosti, one su nešto niže, dok je otpornost na puzanje često viša. Relativno niska svojstva plastičnosti čeličnog liva posledica su dendritne strukture odlivka, neravnomerne raspodele pojedinih sastojaka (segregacije S i P) i pojave Vidmanštetenove strukture. Optimalan odnos granice elastičnosti i jačine na kidanje dobija se pri sadržaju ugljenika od %, pa se zato srednjeugljenični čelični liv najviše primenjuje. Mana čeličnog liva je veliki uticaj debljine zida odlivka (brzine očvršćavanja) na mehaničke osobine. Sa porastom debljine zida odlivka opadaju istovremeno istegljivost i kontrakcija poprečnog preseka (A 5 i Z ili jednom rečju svojstva duktilnosti). Mehaničke osobine odlivaka od čeličnog liva mogu se popraviti termičkom obradom. Odlivci se podvrgavaju difuznom homogenizacionom žarenju pri temperaturi ºC i vremenu držanja do 40 h, radi otklanjanja dendritne segregacije i Vidmanštetenove strukture. Pošto dugotrajno držanje na temperaturi žarenja dovodi do porasta austenitnog zrna, neophodno je posle difuznog žarenja izvesti normalizaciju. Kao i kod čelika, temperatura zagrevanja pri normalizaciji iznosi 30-50ºC iznad tačke A C3, sa vremenom držanja dovoljnim da ceo presek postigne ovu temperaturu. Delovi složenog oblika hlade se (sa temperature normalizacije) na vazduhu samo do 650ºC, a zatim veoma sporo u peći. Na kraju je neophodno i popuštanje napona pri ºC. Zavisno od hemijskog sastava konstrukcioni čelični liv može se pripremiti u Martenovim pećima, elektro-pećima ili konvertorima. Prema sadržaju ugljenika nelegirani livovi dele se na: niskougljenične ( % C), srednjeugljenične ( % C) i visokougljenične ( % C).

14 258 Mašinski materijali Niskougljenični ČL se koristi za izradu malo opterećenih odlivaka kao što su kućišta elektromotora, delovi železničkih vagona (mazalice, nosači opruga, odbojnici), delovi putničkih vozila i delovi brodova (kljun, krma, kormilo, sidro). Manji odlivci često se podvrgavaju cementaciji. Srednjeugljenični ČL koristi se za veoma opterećene delove kao što su točkovi elektrolokomotiva i šinobusa, pogonski točkovi dizalica, ploče temelja mašina, kućišta i obloge parnih turbina, kola i obloge vodenih turbina, kućišta i ramovi kovačkih presa i čekića. Visokougljenični ČL nalazi primenu za delove koji su veoma jako opterećeni i izloženi habanju, kao npr. pogonski zupčanici u cementarama, valjaonicama i sl. Sve vrste ugljeničnih čeličnih livova su u principu zavarljive, ali najlakše je zavariti, bez primene posebnih mera, niskougljenični ČL. Ostali su uslovno zavarljivi, što znači uz predgrevanje, tekuću termičku obradu, normalizaciju i popuštanje napona Konstrukcioni legirani čelični livovi Sadrže % C što odgovara najboljem odnosu granice elastičnosti prema jačini i dobrim livačkim osobinama. Prema hemijskom sastavu legirani čelični livovi se dele isto kao i čelici na: manganske, hromne, Cr-Mn-Si, Cr-Mo, Cr-Ni. Sadržaj legirajućih elemenata uglavnom iznosi %. Odlivke od legiranog čeličnog liva treba koristiti u termički obradjenom stanju: normalizovanom ili poboljšanom. Sredstvo za kaljenje je voda ili ulje, a visoko otpuštanje obavlja se pri ºC. Poboljšanje u poredjenju sa normalizacijom daje znatno povećanje napona tečenja i nešto povećanu žilavost dok duktilnost ostaje praktično nepromenjena. Manganski ČL se upotrebljava za elemente otporne na habanje kao što su kugle za mlinove, delovi transportera u keramičkoj industriji i sl. Hromni ČL primenjuju se za jako opterećene mašinske delove koji su istovremeno izloženi habanju (zupčanici). Hrom-molibdenski i hrom-niklovi ČL se koriste za jako opterećene delove velikih preseka. Čelični liv Cr-Ni-Mo služi za izradu odlivaka kotlovske armature koji rade pri temperaturi do 500ºC. Niskougljenični čelični livovi Cr-Mo i Cr-Mo-V koriste se za odlivke koji rade na povišenim temperaturama do 575ºC; to su delovi kotlovske armature, transportera protočnih peći; ovi su livovi otporni na puzanje. Za postizanje strukturne stabilnosti čelični odlivci Cr-Mo i Cr-Mo-V se normalizuju (na 950ºC), zatim sporo hlade u peći do oko 600ºC i najzad na vazduhu. Posle normalizacije izvodi se visoko otpuštanje na 700ºC.

15 Legure za livenje 259 DEFINICIJE I DOPUNE: Livačke legure: legure koje se odlikuju dobrom livkošću, što omogućuje da se finalni proizvodi - odlivci dobiju izlivanjem tečnog metala u odgovarajuće kalupe. Podela livačkih legura: livačke legure mogu biti gvozdene (liveno gvoždje, čelični liv), neželezne (Al, Cu) i ostale (Mg, Zn, Pb i dr.). Liveno gvoždje: legura Fe-C koja sadrži više od 2% C, povećan sadržaj Si i prateće elemente Mn, P, S: metalna osnova može biti: perlitna, perlitno-feritna i feritna. Sivi liv: Legura gvoždje-ugljenik sa sadržajem 2.1 do 4% C i % Si kao grafitizirajućeg elementa. Veći deo ugljenika je u obliku grafitnih lamela, tako da je sivi liv dobro mašinski obradljiv ali ima malu duktilnost. Nodularni liv: liveno gvoždje u kome se grafit izlučuje u vidu loptica zahvaljujući rafinaciji rastopa (desumporizaciji i dezoksidaciji sa Mg). Temper liv: liveno gvoždje dobijeno naknadnim žarenjem odlivaka strukture belog livenog gvoždja. Belo liveno gvoždje: legura gvoždja i ugljenika u kojoj je celokupna količina ugljenika vezana u cementit. Čelični liv: čelik namenjen za izlivanje u peščanim kalupima radi izrade delova namenjenih za visoka dinamička opterećenja. PITANJA: 1. Glavne karakteristike i vrste livačkih legura. 2. Podela livenih gvoždja i oblici grafita u sivom livenom gvoždju. 3. Modifikatori i njihova uloga u sivom livu. 4. Upotreba običnog i mašinskog sivog liva. 5. Način dobijanja i primena nodularnog liva. 6. Produkcija i primena crnog i belog temper liva. 7. Osobine i upotreba belog livenog gvoždja. 8. Ugljenični i legirani čelični livovi.