L EG OVA N É L I T I N Y
J. Suchánek Abrazivní opotřebení bílých chromov ých litin
ky: pevně vázat karbidy při zatěžování abrazivními částicemi, musí mít vysokou pevnost, aby při plastické deformaci nedocházelo k praskání a vylamování karbidů a vzdálenost mezi karbidickými částicemi musí být taková, aby docházelo k minimálnímu selektivnímu opotřebení matrice abrazivem [2]. Speciální bílé litiny vyvinuté pro případy extrémního abrazivního opotřebení mají zvýšený obsah karbidů (40–70 %). V případech kombinovaného působení koroze a opotřebení mohou mít speciální bílé litiny v porovnání s korozivzdornými ocelemi životnost trojnásobnou jako v případě výroby kyseliny fosforečné [8].
né Mn se neliší od struktury nelegované bílé litiny. Nikl a měď se prakticky nerozpouští v komplexních karbidech, a proto nemají podstatný vliv na primární strukturu bílých otěruvzdorných litin. Přísada Mo zabraňuje perlitické transformaci a zajišťuje tak maximální tvrdost. Je tedy vhodné legovat vysokochromové litiny Mo kromě nejtenčích průřezů. Zabrání se tvorbě perlitu, který má výrazně nižší odolnost proti opotřebení částicemi. Vysokochromové litiny se rovněž legují Ni a Cu do 1 % pro aplikace v případech kombinovaného účinku abrazivního opotřebení a korozního působení okolního prostředí.
V l i v c h e m i c ké h o s l o ž e n í n a o t ě r u v z d o r n o s t b í l ýc h c h r o m ov ýc h l i t i n
Te p e l n é z p ra c ová n í b í l ýc h c h r o m ov ýc h litin
Hlavní legující přísadou bílých otěruvzdorných litin je chrom. Obvyklý obsah chromu v bílých chromových litinách je v rozmezí 11–35 %. Cr tvoří komplexní karbidy – trigonální (Fe, Cr)7C3 a kubický (Fe, Cr)23C6. V a-Fe se Cr rozpouští neomezeně, kdežto v g-Fe se rozpouští maximálně 12 % Cr. Komplexní karbidy Cr jsou tvrdší než legovaný cementit, což má vliv na otěruvzdornost a pevnost litin. Široké rozmezí mikrotvrdosti karbidů Cr se vysvětluje anizotropií vlastností a různým obsahem Fe v karbidech [9]. Krystalizace spojená s tvorbou karbidů typu M7C3 výrazně mění mikrostrukturu litiny. Trigonální karbid (Fe, Cr)7C3 má výraznou anizotropii, která souvisí s charakterem vazeb mezi atomy – kovalentní vazba ve směru osy c a kovová vazba ve směru os a a b. Rychlost růstu krystalu podél osy c je mnohem vyšší. Primární karbid (Fe, Cr)7C3 nabývá tvar šestibokého hranolu. Mikrotvrdost karbidu (Fe, Cr)7C3 podél osy c je 1,5× vyšší než mikrotvrdost v kolmém směru na tuto osu. Řídící fází při krystalizaci eutektika složeného z austenitu a (Fe, Cr)7C3 je karbid. Mezi větvemi karbidu je austenit. Podmínky krystalizace mají velký vliv na primární strukturu bílých otěruvzdorných litin. Nejvýznamnější faktor je rychlost ochlazování, která závisí na tloušťce stěny odlitku, na materiálu formy a na licí teplotě. Logicky není rychlost ochlazování stejná na povrchu odlitku a v jádře, zejména u hmotných odlitků. Rychlost ochlazování ovlivňuje velikost karbidů v eutektických útvarech. Hmotné odlitky mají odlišnou disperzitu struktury na povrchu a v jádře. Přitom otěruvzdornost výrazně roste při zvýšení disperzity primární struktury. Významný vliv na krystalizaci má směr odvodu tepla, protože ovlivňuje orientaci krystalů a následně otěruvzdornost. Cypin [9] studoval vliv orientace krystalů u litiny s 3 % C a 12 % Cr. Vzorky orientované kolmo k povrchu odlitku měly otěruvzdornost 1,25–1,85× vyšší než vzorky orientované rovnoběžně s povrchem. Vliv orientace krystalů byl tím větší, čím pomaleji se ochlazoval odlitek. Obdobné výsledky byly zjištěny u bílých chromových litin Cr14 a Cr24 [10]. Do bílých chromových otěruvzdorných litin se obvykle přidávají prvky zlepšující prokalitelnost – Mn, Mo, Ni, Cu. Molybden, nikl a měď nemění morfologii krystalizace. Také přísada Mn do 3–4 % primární krystalizaci nemění [9]. Pro bílé litiny s karbidy při poměru Cr/C = 3–10 se podíl karbidů stanoví lineární rovnicí [11]:
V litém stavu v matrici chromových litin je značný podíl austenitu. Jeho stabilita při izotermickém rozpadu ve značné míře závisí na jeho chemickém složení při teplotě austenitizace. Při austenitizaci probíhá precipitace sekundárních karbidů z přesyceného austenitu a následně transformace austenitu, který se vytvořil při chladnutí odlitku z licí teploty. Vyloučení sekundárních karbidů ochudí austenit o uhlík a legující karbidotvorné prvky, především o Cr a Mo. Rozsah martenzitické přeměny a stabilita zbytkového austenitu jsou faktory, které určují otěruvzdornost litiny. Pro dosažení požadované martenzitické matrice je proto nezbytné legovat litiny prvky, které stabilizují austenit. Molybden brzdí rozpad austenitu v perlitické oblasti, a tím zvyšuje prokalitelnost. Precipitace sekundárních karbidů z přesyceného austenitu vede ke zvýšení teploty Ms o 200–400 °C a umožňuje po ochlazení docílit martenzitickou strukturu.
K (%) = 12,33C + 0,55Cr − 15,2
(1)
Prvky rozšiřující pole g-Fe snižují množství karbidů, protože část uhlíku je rozpuštěna v austenitu. Mangan může tvořit karbidy Mn23C6 a Mn7C3. Primární struktura bílé litiny legova-
22
S l é vá re ns t v í . L X V . l e d e n – ú n o r 2017 . 1–2
Z ko u š e n é b í l é l i t i ny a j e j i c h t e p e l n é z p ra c ová n í Vliv různých parametrů tepelného zpracování na tvrdost a odolnost proti abrazivnímu opotřebení se studoval u bílých litin Cr27 a Cr15Mo2. Chemické složení zkoušených bílých litin je uvedeno v tab. I. Vzorky ∅ 10 mm a délce 50 mm byly odebírány z centrálních partií hranolových odlitků o rozměrech 60 × 60 × 500 mm odlitých do pískových forem. Studoval se vliv kalicích teplot na tvrdost a poměrnou odolnost proti abrazivnímu opotřebení. Kalicí teploty byly v rozmezí 900–1200 °C. Doba výdrže na teplotě byla vždy 1 h. Kromě kalených vzorků byly zkoušeny i vzorky popouštěné na teploty 200–700 °C / 2 h / vzduch. Tvrdosti bílých litin po různých režimech tepelného zpracování jsou uvedeny v tab. II. Obrábění bílých litin s martenzitickou nebo austenitickou matricí je obtížné, a proto je účelné snížit tvrdost žíháním. Žíháním na 900 °C / 4 h / pec se podařilo snížit tvrdost zkoušených bílých chromových litin na 33,7 HRC, resp. 34,7 HRC, což se projevilo výrazným zlepšením jejich obrobitelnosti.
Tab. I. Chemické složení zkoušených bílých litin Tab. I. Chemical composition of tested white cast irons Označení litiny
obsah legujících prvků [hmot. %] C
Si
Mn
Cr
Cr27
2,73
0,8
0,55
26,7
Mo –
Cr15Mo2
3,01
0,72
0,62
13,05
1,35