Ch u n k y g r a f i t v t ě ž k ý c h o d l i tc í c h z l i t i ny s ku l i č ko v ý m g r a f i t e m
Mechanizmus vzniku chunky grafitu dle klínové teorie Mechanizmus tvorby chunky grafitu dle A. Udroiu [11], [12] probíhá v níže uvedených fázích. Tvorba zárodků začíná následkem podchlazení: u podeutektické litiny s vylučováním primárních dendritů austenitu, u eutektické litiny vylučováním austenitu a eutektického grafitu, u nadeutektické litiny vylučováním primárního grafitu. Po dosažení eutektické teploty začíná u pod- i nadeutektické litiny tvorba zárodků komplexu, tvořeného austenitem a eutektickým grafitem. Přirozenou modifikací grafitu ze zárodků v tavenině litiny je kulovitý tvar [1]. Nastává první tvorba zárodků primárních kuliček grafitu, což vede k růstu sférolitů grafitu. Rostoucí buňky austenitu obklopují kuličky grafitu z primární tvorby zárodků. Za přítomnosti křemíku je rozpustnost uhlíku v austenitu podstatně snížena. Následkem difuze se uhlík ve vnější oblasti buňky dostane k hranici oblasti tekuté a tuhé fáze, kde se vylučuje do tekuté fáze. Během růstu zrna austenitu je tekutá fáze obohacována nejen uhlíkem, ale i nekovovými vměstky, atomy prvků o poloměrech větších než Fe (např. Ce, Sn, Sb, Bi, Mo, Ca a Mg) a atomy s větší pozitivní segregační schopností (jako S, O a N). Vměstky uložené v austenitických obálkách způsobují krystalografické vady: bodové, vady Schottkyho nebo Frenkela, intersticiární a substituční atomy, lineární vady, stupňovité nebo šroubovité dislokace, jakož i dvou- a třírozměrné vady (shluky Koch-Cohenových vad). Tyto vady způsobují pozdější přednostní lomové čáry obálek austenitu. Prvky s vysokou vzájemnou chemickou afinitou, které se vyloučily do tekuté fáze, tvoří nekovové sloučeniny jako MgO, MgO2, MgS, CaO, CaS, CeO, CeS, Ce3S 4, Ce2O2S atd. Podle jejich hustoty tyto složky zůstávají v tavenině, nebo vyplouvají na povrch při konvekčním proudění nebo s bublinami plynů při modifikaci hořčíkem. Zbytková tavenina je obohacována uhlíkem a prvky Ce, Sn, Sb, Bi, Mo, Ca, Mg, S, O a N, čímž dochází k mikrosegregaci a v tepelných centrech k makrosegregaci. Růst primárních sférolitů a buněk austenitu je umožněn difuzí atomů uhlíku obálkou austenitu ve směru do grafitových kuliček. V první fázi je růst nepřerušovaný, protože zrna se ještě nedostala do vzájemného přímého styku. Dojde-li k fyzickému styku mezi eutektickými buňkami, jsou eutektické buňky, které se nacházejí na stykové ploše tekuté a tuhé fáze, vytlačovány ve směru do tekuté fáze, aniž by přitom docházelo k deformaci nebo destrukci. Tímto způsobem může fronta tuhnutí dále růst. Růst kuliček grafitu souvisí a je přímo úměrný přechlazení (R = TE high − TE low), měřenému termickou analýzou. P. Larranaga a kol. [8] potvrzují, že tvorba chunky grafitu s největší pravděpodobností souvisí s rostoucím přechlazením. Sklon k tvorbě chunky grafitu je značně spojen s expanzí grafitu v tepelném centru odlitku. Zvětšování objemu grafitu spolu s kontrakcí obklopující obálky austenitu vyvolává pnutí a může vést k trhlinám v obálkách austenitu. Tyto trhliny vznikají na těch plochách, které mají vady bodové, vady Schottkyho nebo Frenkela, intersticiární a substituční atomy, lineární vady, stupňovité nebo šroubovité dislokace, jakož i dvou- a třírozměrné vady (shluky Koch-Cohenových vad). Trhliny se mohou po nadměrné expanzi grafitu rozevřít: když jsou zrna v kontaktu a trhliny jsou ve stejných rovinách, může grafit, vyloučený v trhlině, tvořit můstky mezi sousedními kuličkami grafitu a mohou vzniknout „dvojčatové kuličky“. S l é vá re ns t v í . L X I V . k v ě te n – č e r v e n 2016 . 5 – 6
155
O D B O R N É R ECEN ZOVA N É ČL Á N K Y
přeměny. Zvýšený výskyt chunky grafitu u odlitých bloků je v přímém vztahu k vyššímu přechlazení, zjištěnému termickou analýzou při použití zkušebních kelímků quick-cup [10]. e) Byla zkoumána makro- i mikrostruktura LKG obsahující chunky grafit. Vzorky z kontrolních měření u zkušebních těles v rozsahu tlouštěk stěn od 10 do 200 mm byly zkoumány optickým i elektronovým mikroskopem. Morfologie grafitu byla zviditelněna hloubkovým leptáním. Informace o průběhu tuhnutí byly získány kombinací výsledků z termické analýzy a metody barevného leptání ke zviditelnění „profilu“ segregace. Podíl chunky grafitu se stoupající tloušťkou stěny všeobecně vzrůstá. Dají se však najít také velké kuličky grafitu v odlitcích s tloušťkou stěny pod 10 mm. Dále je možno zjistit, že se většina kuliček grafitu nacházela v oblastech segregace. To ukazuje na to, že se chunky grafit tvoří během eutektického tuhnutí ještě před kuličkovým grafitem. Rychlost růstu eutektických buněk s chunky grafitem nabývá podobných hodnot jako u litiny s lupínkovým grafitem, je však nižší než u litiny s podchlazeným D-grafitem [7]. f) Nový náhled k vysvětlení mechanizmu vzniku chunky grafitu uvedl A. Udroiu [11], [12] (klínová teorie), (2011). Dle něj ke vzniku chunky grafitu dochází při primární i sekundární tvorbě zárodků a růstu kuliček grafitu během eutektického tuhnutí. Přírůstek objemu grafitu a smrštění austenitu vede k pnutím ve struktuře tuhnoucí austenitické obálky. V austenitických obálkách jsou mikroskopická vadná místa, která pocházejí od nekovových vměstků, vzniklých během fáze tuhnutí, jakož i od vad krystalické struktury, jako jsou bodové, čárové, rovinné a třírozměrné defekty (shluky Koch-Cohenových vad). Expanze grafitu vede se současným smrštěním austenitu k radiálním trhlinám v austenitické obálce. Rozšíření těchto trhlin pokračuje účinkem defektů v přednostních rovinách. Pokud eutektická zrna začnou překážet ve zbytkové tavenině, která je obohacená uhlíkem a nekovovými vměstky (oxidy a sulfidy), budou se během sekundární tvorby zárodků tvořit tzv. „vražedné“ kuličky. Jejich tvorba je stejná jako tvorba těch primárních, ale počet na jednotku objemu je podstatně vyšší. Současně tyto mají velmi malé rozměry a dobrou pevnost. Kromě toho jsou obklopeny austenitem, který je vlivem svého smrštění a současné expanze grafitu rozbit. Fragmenty austenitu (primární roli hrají ostrohranné úlomky) jsou působením expanze grafitu a vlivem úlomků austenitu, obklopujících „vražedné“ kuličky, stlačovány v radiálním směru k primárním sférolitům a poškozují je (klínový efekt). Ulámané části primárních sférolitů představují chunky grafit. Na konci tuhnutí (TSol) není ještě průběh tvorby chunky grafitu ukončen. Sférolity nepřetržitě zvětšují svůj průměr. Zvětšení objemu má za následek zvýšení tlaku, který také vede v tuhnoucím materiálu k dalšímu poškozování větších sférolitů. Mechanický pohyb, vyvolaný růstem grafitu, tříští ještě více již existující útvary grafitu, které se nacházejí v kašovité oblasti. V tuhnoucím odlitku je expanze grafitu stále doprovázena smrštěním austenitu, což při přeměně opět zvyšuje pnutí. Následně během eutektické přeměny musí začít v kašovité oblasti tvorba chunky grafitu, která trvá až do eutektoidní přeměny v tuhém stavu. Tvorba chunky grafitu je výsledkem mechanického pohybu obálek austenitu a zničení velkých křehkých sférolitů. Je známo, že cer podporuje tvorbu chunky grafitu. Podle [11], [12] způsobuje cer nadměrnou expanzi grafitu v silnostěnných odlitcích v oblastech s vysokou koncentrací uhlíku v tepelné ose.
J . O d e h n a l – J . H a m p l – K . Ko n e č n á