L EG OVA N É L I T I N Y
J . R o u č k a F e r i t i c ké l i t i ny p r o c y k l i c ké t e p l o t n í n a m á h á n í
Feritické litiny pro cyklické teplotní namáhání Ferritic cast irons for cyclic thermal stress Received: 24.11.2016 Received in revised form: 30.01.2017 Accepted: 02.02.2017 669.15-196 : 669.017 : 539.3/.5 alloyed cast iron—structure—mechanical properties
During c yclic thermal stress of iron castings to temperatures higher than approximately 60 0 °C the internal tensions, the repeated elasto -plastic deformations, the gradual disintegration of the perlite and the phase transformation of struc tural component s occur due to the heterogeneit y of the temperature field. The result is the formation of crack s, deep oxidation and thermal fatigue of the casting material. Typical castings with this kind of the ser vice loading are the castings of exhaust piping and the castings of turbo blower bodies. The increase of the resistance of these castings against mechanical, thermal and chemical influences is achieved by alloying of cast irons with silicon, molybdenum or other element s. Alloys marked as SiMo cast irons move the working temperature range of the given castings up to the values around 9 0 0 °C.
Publikace vznikla za podpory projektu specifického výzkumu VUT FSI v Brně FSI-S-16-3686.
doc. Ing. Jaromír Roučka, CSc. V U T v B r n ě, F S I , Ú S T, o d b o r s l é v á r e n s t v í B r n o U n i v e r s i t y of Te c hn o l o g y, Department of Foundry Engineering r o u c k a @ f m e.v u t b r.c z
12
S l é vá re ns t v í . L X V . l e d e n – ú n o r 2017 . 1–2
Ú vo d Zvládnutí technologie výroby odlitků z litin s kuličkovým grafitem do značné míry vyřešilo potřebu litiny s dostatečně vysokou pevností, dobrou tažností a houževnatostí za běžných provozních teplot při zachování typických fyzikálních a technologických výhod grafitických litin. Nepřineslo však významnější zvýšení mechanických vlastností a strukturní stability za vysokých teplot. Mechanické vlastnosti litin se začínají výrazněji snižovat již při teplotách nad přibližně 400–450 °C a se zvyšující se teplotou dále strmě klesají. Nelegované litiny s kuličkovým grafitem mají při teplotě 600 °C pevnost v tahu jen přibližně 100 MPa, při 700 °C méně než 50 MPa (obr. 1) [1], podobně klesají i hodnoty meze kluzu. Je zřejmé, že při reálném namáhání součástek za takto vysokých teplot dochází ke creepu. Při teplotách blížících se 700 °C dochází k pozvolnému rozpadu perlitu na ferit a grafit, při teplotě nad eutektoidní teplotou k transformaci feritu na austenit, což je spojeno s objemovými změnami a doprovázeno vznikem transformačních pnutí. Při přeměně feritu na austenit a naopak dochází rovněž k opakované redistribuci přítomných prvků, způsobené jejich rozdílnou rozpustností ve feritu a v austenitu. To se týká zejména uhlíku, ale i řady dalších prvků. Požadavky na vlastnosti litin při zvýšených teplotách závisí na charakteru teplotního režimu při jejich použití. U odlitků pracujících dlouhodobě ve víceméně stabilních teplotních podmínkách budou rozhodující zejména mechanické vlastnosti za tepla, odolnost proti creepu, korozi, případně chemická odolnost v daném pracovním prostředí. Vznik vnitřních pnutí v tomto případě nebývá rozhodující. V odlitcích vystavených dynamickým teplotním změnám, nehomogenitě teplotního pole jak v průřezu stěn, tak i v jednotlivých místech odlitků, případně v odlitcích, u nichž opakovaně dochází k fázovým transformacím, vznikají pnutí, pružně-plastické deformace v makro- i mikroobjemech, případně dochází k porušení jejich souvislosti. Velikost vnitřních pnutí je ovlivněna jak heterogenitou teplotního pole, tak i tuhostí konstrukce odlitků. Z hlediska minimalizace vnitřních pnutí je tedy v těchto případech výhodná vysoká tepelná vodivost kovu, absence fázových změn v režimu pracovních teplot, izotermická konstrukce součástek a taková konstrukce odlitků a jejich sestav, která umožňuje rozměrovou dilataci. Opakované strukturní, napěťové a chemické změny při cyklickém namáhání postupně vedou k degradaci vlastností litiny a k její tepelné únavě. Tepelná únava se projevuje poklesem mechanických vlastností v důsledku opakovaných pružně-plastických deformací, postupně vznikem prasklin a tzv. růstem litiny. Postupně tak dochází k naprostému znehodnocení mechanických a funkčních vlastností kovu. Průběh tepelné únavy je výrazně ovlivněn chemickým působením okolního prostředí, zejména hloubkovou oxidací. Zdrojem kyslíku může být okolní plynné prostředí, vlhkost nebo chemicky vázaný kyslík. Při hloubkové oxidaci proniká kyslík do povrchové vrstvy kovu zejména podél útvarů grafitu, kde dochází k oxidaci uhlíku, železa a dalších prvků. U litiny s lupínkovým grafitem dochází k hloubkové oxidaci zejména podél lupínků grafitu. U litiny s kuličkových grafitem a částečně rovněž u vermikulárních litin je, díky nespojitosti grafitových útvarů, difuze kyslíku do kovu obtížnější, a proto je jejich odolnost proti hloubkové oxidaci vyšší než u litiny s lupínkovým grafitem.