{' '} {' '}
Limited time offer
SAVE % on your upgrade.

Page 54

M i l a n L a m p i c | M a r c Wa l z

Zaostřeno na materiál Focused on material

Litina s červíkovitým grafitem Z AO S T Ř E N O N A M AT ER I Á L

2. část: struktura D r. I n g . M il a n L a m p i c Marburg

Dipl. Ing. Marc Walz Fritz Winter Eisengiesserei Gmb H & Co. KG, St adt allend or f

Záměrem této druhé části série článků o litině s červíkovitým grafitem je ukázat, v závislosti na vnitřním tlaku a teplotě, to podstatné z účinků průvodních a legujících prvků na mřížku železa z teoretického hlediska elektronů. Červíkovitý grafit sice krystalizuje jako eutektické zrno (buňka), ale jinak než lupínkový grafit uprostřed kolonie materiálů, stejně jak to činí grafit kuličkový a korálkový. Hlavním znakem GJV je její nodularita a konečně se morfologie krystalitů neprezentuje jako autoktonně-homogenní útvar, ale jako agregace (skupina) článků, která vykazuje střídavě znaky krystalické struktury kuličkového a lupínkového grafitu. St r u k t u ra G J V Vznik zárodků O tvoření zárodků v litině s kuličkovým a červíkovitým grafitem se již obšírně referovalo v odkazech [1], [2]. Zárodky se dají najít v soustavě MgO – SiO2 – FeO. U GJV vzniká zárodek olivín 2(Mg,Fe)O – SiO2 s vynikající krystalografickou vhodností již zpracováním hořčíkem, a tím je dodatečné očkování v podstatě zbytečné. U GJS je situace zcela jiná, protože jak enstantit MgO – SiO2, tak forsterit 2 MgO – SiO2 se k mřížce grafitu hodí jen přibližně (obr. 1). Vznik struktury Je možná „dokonale čistá“ (bez lupínkového a kuličkového grafitu, pozn. recenzenta) GJV? Principiálně ano, např. v tzv. kvazinekonečném kotouči, tak jak byl použit – avšak pro jiný účel – v odkazu [4]. Obr. 2 ukazuje materiál (litinu s červíkovitým grafitem – GJV) mezi GJL a GJS za předpokladu přípustné nodularity 30 %. Procesní okno leží mezi

460

0,008 a 0,013 % Mg, podle vztahu (1) jištěného empiricky: % Mgmin = 0,015391012 + + 0,012814872 EXP(-M)

(1)

kde je: M – modul poměru objemu odlitku k jeho povrchu – vyzařuje teplo. Pro dokonale čistou litinu s červíkovitým grafitem je zpracovatelské okno otevřeno jen na úzkou štěrbinu. Spíše se najde taková struktura, jaká je na obr. 3. Jak se taková struktura vytvoří, je schematicky ukázáno na příkladě obr. 2 za předpokladu, že se cílené množství 0,008 % Mg netrefí a vznikne lupínkový grafit. V důsledku toho se zvyšuje koncentrace Mg, začíná krystalizace červíkovitého grafitu a hořčík se dál odměšuje, až se dosáhne koncentrace, která už vede ke vzniku kuličkového grafitu (žlutá čára L-V-K na obr. 2). Ve skutečnosti pochází struktura na obr. 3 z malého vzorku pro tepelnou analýzu. V reálném větším odlitku by se vytvoření kuličkového grafitu kvůli „odeznívání“ (modifikace), a tím k minimálnímu množství Mg, nedosáhlo. Panta rhei „Panta rhei“ – „vše plyne“ zjistil ve svém díle asi 500 let před Kristem Herakleitos. Nuže, u našich materiálů teče mnohé – při odlévání a také v průběhu tuhnutí. Omezme zde svoje úvahy na hlavní prvky: Fe, C, Si, S, O, Mn, Cu a Mg. Železo je rozpouštědlo, ve kterém se tyto prvky rozpouštějí. Křemík ([Ne] 3s2 3p2) a uhlík ([He] 2s2 2p2) to činí podle pravidla své konfigurace elektronů odevzdáním svých vnějších elektronů železu. Podle toho jsou donátory. Patří k tomu i hořčík. Podobně je tomu u síry ([Ne] 3s2 3p 4) a kyslíku ([He] 2s2 2p 4), které však se svými šesti vnějšími elektrony jsou už akceptory. Tady má kyslík výhodu, protože přijímá, kvůli blízkosti jádra svých elektronů k jeho druhé obálce, elektrony železa snáze než síra, kterou z taveniny vytlačuje. Jako MgS pak slouží co by „prazárodek“ tvoření enstantitu/ forsteritu (srov. obr. 1).

Obr. 1.

Stavba zárodku pro krystalizaci kuličkového grafitu podle odkazu [3]

S l é vá re ns t v í . L X I V . li s to p a d – p ro s in e c 2016 . 11–12

Donátoři uhlík a křemík jsou z hlediska stavby svých atomů poměrně blízcí příbuzní, ale křemík může své vnější elektrony vzdálenější od jádra předat železu mnohem snadněji, aby se v něm rozpustily. Jestliže je uhlík už rozpuštěný, může ho křemík z roztoku vytěsnit, takže se vyloučí jako grafit a vezme si své elektrony s sebou. Je velmi pravděpodobné, že si přitom vezme i elektrony křemíku, a stane se tak akceptorem [6]. Křemík tuto situaci doslova „vycítí“ a „teče“ do grafitických zón, které „utrpí“ ve srovnání s čistým železem nedostatek elektronů. Na to železo reaguje zesílením vazeb α, vzniká ferit, a to již v základu tekutého a pevného stavu. Dal by se nazvat „tekutým“ feritem. Eutektické feritické zrno v litině s červíkovitým grafitem ukazuje obr. 4. Vzorek byl zpracován oxidačně (odměšovací leptání) a lokálně různá tloušťka vrstvy oxidů vede k zabarvení pásem struktury podle koncentrace určitých prvků, resp. elektronů: modře se barví křemík (nedostatek elektronů) a hnědě mangan (nadbytek elektronů). Ostatní prvky „tečou“ do okolí, kde panuje, relativně k čistému železu, přebytek elektronů a podporují tvoření vazeb γ. Vzniklý austenit se pak zcela nebo částečně mění na perlit. To, že se jednotlivé zrno nebo celá kolonie (obr. 5) změní na ferit, nezáleží přirozeně jen na křemíku, ale také na rozvětvení červíkovitého grafitu. Srovnatelné je to u litiny s lupínkovým grafitem (GJL) v případě grafitu D. Jak to, že k takovému „tečení“ při tvoření odmíšenin vůbec dochází, je opět otázka, na kterou může odpovědět stavba atomů zúčastněných prvků. Obr. 6 ukazuje účinek řady prvků na rozložení eutektické teploty v soustavě Fe-C-X. Pro odmíšení, resp. migraci existuje podle J. C. Margerieho [8] následující pravidlo: prvky, které zužují mezeru mezi bílým a šedým tuhnutím, a takové, které ji rozšiřují, se z hlediska odmíšení chovají opačně: u bílého tuhnutí se např. chrom odměšuje naopak, tzn. směrem do středu a křemík přímo, tzn. na okraj. U šedého tuhnutí se to celé obrátí. Prvky, které zvyšují obě teploty, se odměšují vždycky opačně, ale takové, které je snižují, se odměšují stále přímo. Jsou to Mn, Mo, Wo, P, Sn, Sb a Mg. Nás v první řadě zajímá druhá skupina uvedená na obr. 6 s prvky Si, Co, Ni a Cu, ale jako protiklad k tomu se napřed podíváme na první skupinu zahrnující Cr, V a Ti, které nemají v GJV co hledat.

Profile for INA SPORT spol. s r.o.

Slevarenstvi 11-12 2016  

Slevarenstvi 11-12 2016  

Profile for inasport