Studijní opora

" Struktura a vlastnosti grafitických litin "

Úvod

Litiny jsou slitiny železa, uhlíku a doprovodných prvků (žádoucích i nežádoucích), kde obsah uhlíku je nad 2 hm%, když součet všech doprovodných prvků nepřesáhne 2%.

Jsou to materiály určené výhradně na výrobu odlitků. Různé předměty z litiny se odlévaly již v Číně zhruba ve 4.stol. př.n.l. Do Evropy se jejich výroba dostala až ve 14.stol. n.l. V poslední době výroba slitin železa upadá, ale i tak jsou jednou z nejdůležitějších skupin kovových materiálů.

Grafitické litiny obsahují uhlík ve formě grafitu, který krystalizuje v hexagonální soustavě (hcp mřížka). Jejich vlastnosti závisí na množství, tvaru a velikosti grafitických útvarů a na typu kovové matrice, ve které je grafit rozložený.

Jednotlivé druhy litin lze srovnat dle mechanických a jiných vlastností. V pořadí litina s lupínkových grafitem (šedá litina), litina s červíkovitým grafitem (vermikulární litina) a litina s kuličkových grafitem (tvárná litina); se pevnost v tahu a modul pružnosti zvyšuje, stejně tak houževnatost a tažnost, naopak slévatelnost či obrobitelnost se zhoršují. Mechanické vlastnosti závisí nejen na tvaru a velikosti grafitu, ale i na matrici (feritická, feriticko-perlitická, perlitická), což je základní kovová hmota, ve které je uložen grafit. Se zvyšujícím se podílem perlitu ve struktuře narůstají pevnostní charakteristiky a naopak tažnost či houževnatost klesají. Konkrétní údaje poskytuje tabulka uvedená níže.

Litina s lupínkovým grafitem

Litina s kuličkovým grafitem

Temperovaná litina

Litina s vermikulárním grafitem

ADI litina

Grafitické litiny

Jak bylo popsáno v předešlé kapitole, hlavními stavebními prvky v litinách jsou železo a uhlík. Uhlík patří mezi nekovy a podle toho v jaké formě se vylučuje, přímo ovlivňuje vlastnosti slitin na bázi železa. V soustavách železo – uhlík tvoří tento prvek samostatnou fázi. Vylučuje se ve formě cementitu (karbid železa Fe₃C) v metastabilní soustavě (Fe-Fe₃C) nebo ve formě grafitu (čistý uhlík) v soustavě stabilní (Fe-C).

Uhlík v grafitických litinách se vyskytuje ve dvou formách; tzv. uhlík volný a uhlík vázaný. Uhlík volný je grafit a uhlík vázaný je rozpuštěn v základní kovové hmotě (v matrici). Z toho plyne: C_celk = C_grafit + C_matrice.

Cementit je typická intermediární fáze s obsahem 6,68 hm % C. Krystalizuje v orthorombické soustavě (Obr.1). Je velmi tvrdý (800 HV) a křehký a do teploty 217 °C je feromagnetický. Z termodynamického hlediska je fází metastabilní a za vhodných podmínek se rozpadá na železo a grafit podle rovnice (1). Tento proces je znám pod pojmem přímá grafitizace.

Grafit je čistý uhlík a krystalizuje v hexagonální soustavě (Obr. 2). Je měkký a jeho tvárnost a pevnost jsou v porovnaní s čistým železem nepatrné. Z hlediska termodynamického jde o fázi stabilní.

Rozhodujícím parametrem pro základní rozdělení litin dle struktury je eutektická krystalizace.

V bílých litinách probíhá eutektická krystalizace v podmínkách metastabilní rovnováhy a jejich produktem je ledeburit. Strukturu pak tvoří cementit a perlit, a proto mají litiny bílý lom, vysokou tvrdost a dobrou odolnost vůči opotřebení. Na druhou stranu jsou velmi křehké, mají relativně malou pevnost a špatně se obrábí.

V grafitických litinách probíhá eutektická reakce dle stabilní rovnováhy a jejím produktem je grafit. Ten pak zůstává ve struktuře bez ohledu na to, jestli další fázové přeměny probíhají dle metastabilní či stabilní soustavy.

Když proběhne eutektická reakce z části dle stabilní a z části dle metastabilní soustavy vzniká tzv. přechodová litina, která obsahuje ve struktuře jak ledeburit, tak i grafit.

To, jestli bude daná slitina krystalizovat dle stabilní či metastabilní soustavy, závisí na několika faktorech:

• Obsah uhlíku: zvyšování obsahu uhlíku podporuje vylučování grafitu, to se ale projeví při obsazích nad 2 hm%C.
• Rychlost ochlazování: při pomalém ochlazování vznikne stabilní rovnováha a naopak při rychlém ochlazení vznikne cementit.
• Obsah dalších prvků: zvyšující se obsah tzv. grafitotvorných prvků (Si, P, Al) podporuje vylučování grafitu a zase některé prvky (Mn, S) podporují vznik cementitu.

Základním kritériem při rozdělení grafitických litin je tvar vyloučeného grafitu. Grafit může vznikat krystalizací z taveniny nebo grafitizací cementitu v tuhém stavu dle rovnice (1). Krystalizace grafitu se může ovlivnit úpravou taveniny přidáním látek, které ovlivňují počet krystalizačních zárodků (očkování) nebo tvar zárodků (modifikace), viz Obr. 3.

Vlastnosti grafitických litin závisí na množství, tvaru a velikosti grafitických částic a na druhu kovové matrice, ve které je grafit rozložený. Matrice může mít různý podíl feritu a perlitu. Litina s vyšším obsahem perlitu v matrici má vyšší pevnost a nižší tažnost. Charakteristické mechanické vlastnosti jednotlivých druhů grafitických litin jsou znázorněné na Obr. 4.

Obr. 4 Mechanické vlastnosti grafitických litin

litina s lupínkovým grafitem litina s červíkovitým grafitem litina s kuličkovým grafitem litina s vločkovým grafitem (temperovaná litina s bílým lomem) litina s vločkovým grafitem (temperovaná litina s černým lomem) temperovaná perlitická litina

Diagram Fe-C

Veškeré informace, týkající se této problematiky, naleznete ve studijní opoře Slitiny stabilní soustavy Fe-C.

Diagram Fe-C-Si

Litiny mají obsah uhlíku vyšší než je jeho mezní rozpustnost v austenitu za eutektické teploty, daná bodem E rovnovážného diagramu železo-uhlík. Vedle vyššího obsahu uhlíku mají obvykle i větši množství příměsí (Si, Mn, P, S) než ocel. Z nich nejdůležitější je křemík, pohybující se v množství 0,3 až 4,0 %. Litiny proto bývají považovány za potrojné slitiny Fe-C-Si. Jejich krystalizace a překrystalizace se řídí ternárním diagramem této soustavy, v němž obdobně jako v binárním rovnovážném diagramu železo-uhlík, existuje stabilní rovnováha s vyššími a metastabilní rovnováha s nižšími teplotami fázových přeměn. Protože však sledování fázových přeměn pomoci ternárních rovnovážných diagramů je obtížné, používají se často tzv. pseudobinární diagramy, které jsou sestrojeny jako řezy ternárních diagramů pro proměnné obsahy dvou základních komponent a konstantní obsah třetí komponenty.

Příklad takového diagramu pro proměnný obsah Fe a C a konstantní obsah 2 % Si je uveden níže na obrázku 7, který vychází z ternárního diagramu uvedeného na obrázku 5. V podstatě je tento pseudobinární diagram velmi podobný binárnímu rovnovážnému diagramu železo-uhlík, kde teploty fázových přeměn jsou posunuty nahoru a koncentrace doleva oproti základnímu diagramu Fe-C. Významným rozdílem je, že v pseudobinárním diagramu se nevyskytuje jedna konstantní eutektická teplota, nýbrž interval teplot t_ESl - t_ES2. Podobně ani eutektoidní přeměna neprobíhá při jedné konstantní teplotě, ale v teplotním intervalu A_1,1 - A_1,2. Interval eutektoidních i eutektických teplot se rozšiřuje s vzrůstajícím obsahem křemíku, který je do litin přidán, viz obr. 6.

---

Krystalizace podeutektických litin podle této soustavy začíná vylučováním austenitu, následuje eutektická reakce, snižování rozpustnosti uhlíku v austenitu (Obr.7, body 1-3), eutektoidní reakce, případně grafitizace perlitického cementitu při ochlazení po eutektoidní reakci. Výsledná struktura je tvořena perlitem, feritem nebo jejich směsí a lupínkovým grafitem. Lupínkový grafit je výchozím základním tvarem grafitu, který vzniká přirozeně bez dodání ostatních příměsí apod. Krystalizace nadeutektických litin začíná vylučováním primárního grafitu z taveniny, následuje eutektická reakce a dále dochází k fázovým přeměnám obdobně jako v prvním případě (Obr.7, body 4-6).

U podeutektických litin s lupínkovým grafitem je první fází, která se při krystalizaci vylučuje, austenit. Při vylučování austenitu dochází k výměně tepla mezi fázemi s vnějším prostředím. Tato výměna však není ideální, nenastane difúzní vyrovnání složení fází a dojde k dendritické krystalizaci austenitu, to je uvedeno na obrázku 9a. Rozvětvení dendritů závisí na stupni přechlazení.

U nadeutektických litin je první krystalizační fází primární grafit, který se odlišuje od ostatních grafitových částic tím, že jde o velmi hrubé a málo rozvětvené útvary.

Při eutektické reakci nevzniká typická eutektická směs, ale jde o dvoufázový segregát (eutektická buňka, Obr.10a), který roste nepřetržitým současným vytvářením dvou fází. Kontakt grafitu s kapalnou fází se udržuje vlivem růstu austenitu. Lupínkový grafit je proto deskovitého charakteru. Eutektickou buňku nakonec tvoří rozvětvený grafitový skelet (obálka) obalený austenitem. Stupeň rozvětvení se zvětšuje s rostoucí rychlostí ochlazování.

Rychlost ochlazování (tloušťka stěny) výrazně ovlivňuje i samotný charakter eutektické reakce. Tento vliv je zřejmý z kinetického diagramu (na obrázku 8) anizotermické krystalizace litin v soustavě Fe-C-Si s eutektickým složením. Z obrázku je zřejmé, že rychlost v₂ je větší než rychlost v₁. Rychlost v₂> pak udává rychlost, podle které tuhne tavenina v metastabilním systému a v₁ je rychlost, podle které tuhne tavenina ve stabilním systému (grafitické litiny).

Podíl taveniny, která tuhne primární krystalizací (podeutektické nebo nadeutektické litiny) nebo naopak eutekticky (eutektické litiny), závisí na chemickém složení původní taveniny. Polohu eutektického bodu ovlivňuje nejen obsah uhlíku, ale i obsah přísadových prvků. Tento vliv se dá kvantifikovat. K tomu se používá tzv. stupeň sycení Sc (stupeň eutektičnosti), který se vypočítá dle vztahu (2).

Když bude S_c = 1 jedná se o eutektickou litinu, když S_c < 1 o podeutektickou a v případě S_c > 1 o nadeutektickou litinu. Je třeba podotknout, že tato veličina se počítá v případě litin s lupínkovým grafitem (Obr.9b). Jak již bylo v úvodu této kapitoly poznamenáno, litina s lupínkovým grafitem vzniká bez dalších nutných přísad, bez modifikátorů či očkovadel.

Proces tuhnutí litiny, která obsahuje fosfor, není ukončený eutektickou reakcí. Podle soustavy Fe-Fe₃C-Fe₃P vzniká ternární fosfidové (fosfidické) eutektikum (Obr. 10b) při obsahu nad 0,5 až 0,8 % P (závisí na obsahu uhlíku). Když krystalizuje eutektikum (austenit a grafit), může se objevit fosfidové eutektikum už při 0,1 % fosforu při rovnovážných podmínkách a už od 0,05 % P za reálných, pomalu ochlazovaných litinách. Fosfidové eutektikum tuhne již při teplotě 940 °C, a to mezi eutektickými buňkami.

Při ochlazení pod eutektickou teplotou nastává ochuzování austenitu o uhlík. V tomto případě nevznikají nové částice grafitu (sekundární grafit) z austenitu, ale vylučuje se sekundární cementit, který okamžitě grafitizuje. Tomu se říká nepřímá grafitizace.

Při eutektoidní přeměně se austenit nejčastěji přemění na perlit v podmínkách metastabilní rovnováhy (perlitická struktura). V závislosti na rychlosti ochlazování z eutektoidní teploty na teplotu okolí, může docházet k částečné grafitizaci perlitického cementitu (perliticko-feritická struktura).

Grafit a jeho morfologie

Základní tvary grafitu v grafitických litinách jsou odvozené podle vzhledu grafitových částic na metalografickém výbrusu, tj. podle vzhledu náhodných rovinných řezů grafitickými částicemi. Je potřeba si uvědomit, že grafit je náhodně rozložený v objemu, a že se jedná o prostorový útvar.

Hodnotí se dle normy ČSN EN 1560 jako lupínkový (I), vločkový (II), červíkovitý nebo-li vermikulární (III), povoučkovitý (IV), nedokonale zrnitý (V) a zrnitý (VI), viz Obr. 11.

Grafitové částice oslabují strukturu a porušují kontinuitu základní kovové hmoty. Při namáhání odlitku dochází ke vzniku místních koncentrací napětí v oblasti grafitu, jehož hodnoty mohou podle daného tvaru (10 až 20) krát převýšit jmenovitá napětí. Čím ostrohranější je zakončení útvarů grafitu, tím větší je vrubový účinek. Nejsilnější vrubový účinek má ve struktuře lupínkový grafit (Obr. 12 vlevo). Příznivějšími tvary z hlediska porušování celistvosti matrice litin jsou kuličky (Obr. 12 vpravo) nebo vločky grafitu v temperovaných litinách. Kromě tohoto zmíněného faktu grafit jako takový má velmi malou pevnost. Svou přítomností ve struktuře zmenšuje nosný průřez základní kovové hmoty a tím snižuje pevnost litiny.

Jednotlivé příklady různých tvarů grafitu ve struktuře litin jsou uvedeny na obrázcích 13 a 14.

V předchozí kapitole bylo vysvětleno, jakým způsobem grafit krystalizuje – tvoří se z taveniny. Jeho růst je pak možný ve směru osy a nebo c (Obr. 15) a to buď spirálovým nebo pyramidálním mechanismem. Na výsledný tvar grafitu má rozhodující vliv poměr rychlosti růstu ve směru osy a a ve směru osy c. Pro lupínkový grafit platí, že rychlost růstu ve směru a je větší než ve směru c. Pro červíkovitý a kuličkový grafit platí opačný poměr; rychlost růstu ve směru c je větší než ve směru a.

Kovová matrice v litinách

Struktura základní kovové hmoty závisí na:

• chemickém složení litiny
• rychlosti ochlazování v průběhu tuhnutí a chladnutí (závisí na tloušťce stěny odlitku a na materiálu formy)
• stavu krystalizačních zárodků
• tepelném zpracování

Základní kovovou hmotu v nelegovaných litinách tvoří ferit, perlit, případně ledeburit. Legováním nebo tepelným zpracováním lze získat matrici, která obsahuje austenit, martenzit, bainit nebo komplexní karbidy.

Ferit vzniká při eutektoidní transformaci austenitu podle stabilního systému. Přísadový prvek křemík a pomalé ochlazování podporuje vznik feritu. Ferit je měkký, tvárný, dobře obrobitelný, v litinách je nositelem houževnatosti. Na jeho vlastnosti mají značný vliv legury a doprovodné prvky, které se železem tvoří substituční tuhý roztok. Všechny přísady zvyšují tvrdost a pevnost feritu. Jeho houževnatost některé z nich zvyšují (Ni, Cr, Mn) a jiné je snižují (Si).

Perlit je eutektoid vzniklý rozpadem austenitu podle metastabilního systému. Vedoucí fází perlitické přeměny je cementit, vedle něhož pak vznikají lamely feritu. Z jednoho zrna austenitu obvykle vzniká několik zrn perlitu s rozdílnou orientací lamel. Jeho vznik podporuje měď. Ve srovnání s feritem má perlit vyšší pevnost a tvrdost, horší plastické vlastnosti, horší obrobitelnost, vyšší odolnost proti opotřebení. Perlit je v litinách nositelem pevnosti a tvrdosti. Jeho vlastnosti závisí na hustotě perlitu dané jeho dispersitou d. Ta je určena vzdáleností dvou sousedních lamel feritu, obrázek 16. Čím hustější je perlit, tím vyšší jsou jeho mechanické vlastnosti.

Austenit se za normálních teplot vyskytuje pouze v niklem legovaných litinách nebo jako zbytkový austenit po tepelném zpracování. Je měkký, velmi tvárný, odolný vůči korozi a proti působení vysokých teplot.

Cementit je u nelegovaných ocelí tvořen karbidem železa Fe₃C. U legovaných litin můžou být atomy Fe nahrazeny Mn, Cr, W, V nebo Mo. Je velmi tvrdý a křehký. Při vyšším obsahu ve struktuře se litina stává neobrobitelnou.

Ledeburit je eutektikum v metastabilní soustavě Fe-Fe₃C. Je tvořeno austenitem a ledeburitickým cementitem. Při eutektoidní teplotě se austenit transformuje na perlit a vzniká tzv. transformovaný ledeburit. Ledeburit je jednou se základních složek bílých litin. V grafitických litinách vzniká v místech s rychlým odvodem tepla, kterým se říká zákalka.

Martenzit vzniká bezdifúzním rozpadem austenitu při kalení nelegovaných nebo legovaných litin. V legovaných litinách vzniká někdy přímo v litém stavu. Je velmi tvrdý a křehký.

Bainit vzniká jako licí struktura v litinách legovaných zejména molybdenem a niklem nebo po tepelném zpracování. Tyto litiny mají vysokou pevnost a tvrdost a poměrně dobré plastické vlastnosti.

Systém označování litin

značování grafitických litin je v Evropské unii závazné jednotným systémem národních norem ČSN EN 1560. Používají se dva způsoby označování a to:

• zkrácené označování podle mechanických vlastností nebo chemického složení
• číselné označení

Systém zkráceného označování

Označování podle mechanických vlastností je základní formou, používanou hlavně v dokumentacích. Označení litiny dle tohoto systému obsahuje 5 až 6 znaků. Kromě hlavního označení normy EN – GJ (Evropská norma – litiny) se skládá ještě z písmena označujícího typ grafitu a typ matrice a dále mechanické vlastnosti, jako jsou R_m nebo minimální hodnota tažnosti, apod. Toto základní označení může být doplněno o znak, který udává způsob výroby zkušebního vzorku, nebo předepsané hodnoty nárazové práce včetně teploty zkoušky, dále označení tvrdosti atd.

Legované litiny je výhodnější označit dle chemického složení, při kterém začíná číselná část označení písmenem X. Po té následuje obsah uhlíku v 0,01%, chemické značky přísadových prvků a dále jejich průměrné obsahy v hm%.

1. Pozice obsahuje EN
2. Pozice obsahuje znaky GJ (G označuje odlitek, J značí litinu)
3. Pozice označuje tvar grafitu (velké písmeno)
4. Pozice označuje mikro nebo makrostrukturu (matrice)
5. Pozice uvádí mechanické vlastnosti nebo chemické složení litiny
6. Pozice udává dodatečné požadavky na odlitek

Tvar grafitu (3. pozice)
L	Lupínkový	S	Kuličkový	M	Vločkový (temperový uhlík)
V	Červíkovitý	Y	Zvláštní tvar	N	Bez grafitu (bílá litina)

Struktura matrice (4. pozice) – není nutné ji udávat
A	Austenit	M	Martenzit	Q	Struktura po kalení
F	Ferit	L	Ledeburit	T	Struktura po zušlechťování
P	Perlit	B	Neoduhličená struktura (temperovaná - černý lom)
		W	Oduhličená struktura (temperovaná - bílý lom)

---

Mechanické vlastnosti (5, 6. pozice)
Označení pevnosti (číslice udává min.zaručenou pevnost v tahu v Mpa)
Označení tažnosti (číslice udává nejmenší hodnotu v %)
Způsob výroby zkušebních těles:
S	odděleně litý zkušební vzorek	U	přilitý zkušební vzorek	C	zkušební vzorek vyříznutý z odlitku
Označení tvrdosti:
HB	podle Brinella	HV	podle Vickerse	HR	podle Rockwella
Označení teploty zkoušky rázem v ohybu:
RT	pokojová teplota	LT	nízká teplota

Chemické značení (5. pozice)

X

Třímístná číslice (značí stonásobek procenta uhlíku)

Legující prvky (jejich chemická značka)

Množství v procentech se odděluje pomlčkami

EN GJL- HB155	Litina s lamelárním grafitem, tvrdost 155 HB.
EN GJS-350-22U	Litina s kuličkovým grafitem, s minimální pevností 350 MPa a minimální tažností 22 %, mechanické hodnoty byly stanoveny na přilitém vzorku.
EN GJS-400-18-LT	Litina s kuličkovým grafitem, s minimální tažností 18%, zkouška rázem v ohybu při nízké teplotě.
EN GJN–X300 CrNiSi 9-5-2	Ledeburitická litina bez grafitu, se 3 % C, 9 % Cr, 5 % Ni, 2 % Si.

Systém číselného označování

Číselné označení litin se skládá ze 7 pozic. Za úvodní zkratkou EN-J se uvádí tvar grafitu. Číselná část uvádí vlastnosti litiny a po té pořadové číslo.

1. Pozice má neměnné složení znaků EN
2. Pozice označuje grafit (litina)
3. Pozice označuje tvar grafitu
4. Pozice symbolizuje hlavní uváděnou vlastnost litiny
5. 
   
   Je dvojmístné číslo, které označuje jednotlivé materiály
6. 
   
7. Pozice uvádí zvláštní požadavky na jednotlivé materiály

Tvar grafitu (3. pozice):
L	Lupínkový	S	Kuličkový	M	Vločkový (temperový uhlík)
V	Červíkovitý	Y	Zvláštní tvar	N	Bez grafitu (bílá litina)

---

Uvedená vlastnost litiny (4. pozice, 1. číslice):
1 pevnost v tahu	3 chemické složení
2 tvrdost	0, 4-9 rezerva
Číselný znak uvádí vlastnosti litiny (5,6. pozice, 2,3. číslice):

Zvláštní požadavky (7. pozice, 4. číslice)
0 - nejsou požadavky	5 - nárazová práce při nižší teplotě
1 - samostatně lité vzorky	6 - stanovená vhodnost ke svařování
2 - přilité vzorky	7 – tepelně nezpracovaný odlitek
3 - vzorky vyřezané z odlitku	8 – tepelně zpracovaný odlitek
4 – nárazová práce při pok. t.	9 – další specifické požadavky

EN-JL2171	Litina s lamelárním grafitem s požadavkem na min. hodnoty tvrdosti s dvojčíslím 17. Vlastnosti jsou zjišťovány na odděleně litých zkušebních vzorcích.
EN-JL1010	Litina s lamelárním grafitem s minimální mezí pevnosti 100 MPa.
EN-JL1010	Litina s kuličkovým grafitem s minimální mezí pevnosti 400 MPa.

Kromě označování litin dle norem platných v Evropské unii se v praxi stále můžeme setkat s označováním litin dle starších českých norem.

ČSN	Pozice má neměnné složení znaků
42	Pozice označuje třídu (materiály na odlitky)
2	Pozice rozděluje litiny, oceli
X	Zabývá se grafitickými litinami 3 Litina s kuličkovým grafitem LKG 4 Litina s lupínkovým gragitem LLG 5 Temperovaná litina LVG
yy	Vyjadřuje pevnost Rm v tahu v desítkách Mpa
a	První dodatková číslice (druh tepelného zpracování)
b	Druhá dodatková číslice (způsob odlévání)

ČSN 42 2410

Litina s lupínkovým grafitem s mezí pevnosti 100 Mpa, vhodná na tenkostěnné odlitky o tloušťce stěn 4-15 mm.

Metody hodnocení struktury a vlastností

Morfologie, rozložení a množství jednotlivých fází ve struktuře a jejich chemické složení ovlivňuje mechanické vlastnosti každého materiálu, zejména litin. Litiny jsou heterogenní materiály, kdy grafit je poměrně měkký a křehký a naopak matrice vykazuje vyšší pevnost a tvrdost. Abychom dokázali definovat některé vztahy mezi vlastnostmi litin a jejich strukturou, musíme výše zmíněné parametry kvantifikovat. Tím se zabývá kvantitativní metalografie, která využívá tři druhy metod kvantifikace strukturních parametrů. Jedná se o:

• hodnocení pomocí etalonů tzv. porovnávací metody
• měření strukturních parametrů
• automatické stanovení parametrů tzv. analýza obrazu

Hodnocení pomocí etalonů je jednoduchá, rychlá, ale méně přesná metoda (je subjektivní). Je založena na porovnávání hodnocené struktury se standardy ve formě etalonů (příloha norem). Tento jednoduchý postup je normovaný. Základní podmínkou je porovnávat strukturní faktory při stejném zvětšení, při kterém vznikl etalon. Hodnotí se průměrná struktura, ne žádné zvláštnosti či artefakty, zejména v leptaném stavu.

Hodnocením metalografické struktury litin se zabývá norma ČSN 42 0461 nebo ČSN EN 1560, která je rozdělena do 12 etalonů. Zabývá se hodnocením grafitu, perlitu, feritu, cementitu, fosfidového eutektika, popř. bainitu či martenzitu v litinách, viz Tab.1. Jednotlivé příklady etalonů pak znázorňují Tab. 2 až 6.

Samotné označení jednotlivých litin dle této normy lze demonstrovat na několika příkladech.

IA4 P1 Fe80	Litina s lupínkovým grafitem, o velikosti grafitu 120 až 250 µm, rovnoměrné rozložení grafitu, s perliticko-feritickou matricí, kde je zhruba 80% feritu a perlit se vyskytuje v lamelární podobě.
60% IA5 + 40% ID7	Litina s lupínkovým grafitem, kde ze 60 % se jedná o rovnoměrné rozložení grafitu při velikosti lupínků od 60 – 120 µm a ze 40% se jedná o mezidendritické neusměrněné uspořádání o velikosti mezi 15 až 30 µm.
VI5 P1 P85 Pd0,5	Litina s kuličkovým grafitem, o velikosti kuliček od 60 do 120 µm, s lamelárním perlitem, kde ho je zhruba 85% o vzdálenosti cementitických lamel v průměru 0,5 µm.

Měření strukturních parametrů (při použití okulárových stupnic přímo při pozorování nebo na matrici mikroskopu, či na fotografii) umožňuje stanovit číselné hodnoty strukturních parametrů.

Výsledky měření strukturních parametrů jsou vlastně soubory, které se vyhodnocují statisticky. Níže jsou uvedeny metody, kterými můžeme stanovit obsah fází ve struktuře, a dále jsou popsány i na obr. 18.

U planimetrické metody se měří plochy ai útvarů měřené fáze uvnitř obrazce s plochou A. Obsah měřené fáze V pak je vypočten v rovnici (3).

U liniové metody se měří délky li úseček mřížky (L je celková délka sítě), které se nachází uvnitř útvarů měřené fáze, potom obsah měřené fáze V se vypočítá dle rovnice (4).

U bodové metody se stanovují počty bodů pi (body tvoří průsečíky rastru mříže s celkovým počtem bodů P), které se nachází uvnitř útvarů měřené fáze, potom obsah měřené fáze V se vypočítá dle rovnice (5).

Automatická analýza obrazu v zásadě vychází ze stejných principů jako měření strukturních fází (předchozí metoda), ale využívá možnosti počítače a automatického zpracování dat na základě obrazové analýzy. Je méně pracná a zaručuje přesnější výsledky.

Jedná se o metodický postup, který v sobě zahrnuje:

1. získání obrazu (fotografie, dig. fotografie příp. jiný obrazový výstup)
2. preprocessing (odstranění šumu, korekce ostrosti, kontrastu)
3. segmentace obrazu (úkolem je rozklad obrazu na objekty a na pozadí)
4. processing (analýza, výsledné zpracování dat), viz Obr. 19

Litina s lupínkovým grafitem

Nejčastěji se její chemické složení pohybuje okolo 2,5 až 3,5 % C, do 3,5 % Si, 0,4 až 0,8 % Mn, 0,2 až 1,2 % P a 0,08 až 0,12 % S.

Litina s lupínkovým grafitem, dříve nazývaná šedá litina, má ve struktuře lupínkový (lamelární) grafit. Kromě grafitu i kovovou matrici, která obsahuje ferit, perlit nebo jejich směs, obrázek 20.

Mechanické vlastnosti litiny s lupínkovým grafitem jsou ovlivněny kromě tvaru, velikosti a množství grafitu, především chemickým složením a rychlostí ochlazování. Tyto dva faktory určují zejména konečnou podobu matrice litiny (podíl feritu a perlitu, popř. vznik ledeburitu). Chemické složení ovlivňuje také polohu eutektického bodu, kterou určuje tzv. stupeň eutektičnosti. Přesnější výpočet stupně sycení (eutektičnosti) Sc pro litiny s lupínkovým grafitem je uveden ve vzorci (6). Vliv chemického složení (stupně eutektičnosti) a zároveň rychlosti ochlazování (tloušťka stěny odlitku, materiál formy) na strukturu matrice litiny demonstruje tzv. Sippův diagram, znázorněný na obrázku 21. Podle tohoto diagramu se doporučuje chemické složení litiny s lupínkovým grafitem, které odpovídá stupni eutektičnosti 0,85 až 0,95, kdy vznikne nejvýhodnější perlitická struktura pro tuto litinu.

Stupeň eutektičnosti nám také může pomoci při orientačním odhadu mechanických vlastností litiny. Příkladem je grafická závislost na obrázku 22 a dále empirický vztah (7).

Původně šedá litina má díky svému tvaru grafitu nejhorší plastické vlastnosti (téměř žádnou tažnost) v porovnání s ostatními litinami. Způsobuje to vysoká koncentrace napětí, která se hromadí na ostrých hranách lupínků, viz Obr. 12.

Na druhé straně se lupínky grafitu projevují pozitivně ve struktuře zvýšením schopnosti útlumu a tím snížením citlivosti na účinek vrubů. Skutečnost, že grafit je téměř spojitý rozvětvený útvar se projevuje také kladně na slévárenských vlastnostech, které jsou s ohledem na vynikající zabíhavost (blízko eutektického bodu) a s relativně malým sklonem k smršťování, nejlepší z grafitických litin. Dále mají grafitické litiny a šedá litina obzvlášť lepší tepelnou vodivost než oceli. Je to opět z důvodu tvaru grafitu (spojitého a rozvětveného).

Kromě tvaru grafitu je také velmi důležitá velikost grafitických částic. Čím více máme částic a jsou menší, tím se zvyšuje pevnost litiny. Ke zlepšení pevnostních charakteristik používáme tzv. očkování litin.

Očkování

Očkování je obecně technologická operace, při které se do tekutého kovu vnáší malé množství vhodně zvolené substance (očkovadla), a tím se zvýší množství krystalizačních zárodků určité fáze. Grafitizační očkování litiny s lupínkovým grafitem umožňuje zvýšit počet krystalizačních zárodků grafitu.

Mechanismus očkování není dosud jednoznačně objasněný. Převládá názor, že očkování prvky, které snižují rozpustnost uhlíku, způsobuje v tavenině v uzavřeném objemu lokálně přesycenou taveninu právě uhlíkem. Takto vznikne shluk grafitu, což je vlastně nový zárodek. Nebo se využívají tzv. oxidické zárodky, kdy po přidání FeSi proběhne v tavenině dezoxidace, jejíž produktem jsou jemné částice SiO₂. A ty pak slouží jako zárodky, na kterých vzniká grafit. Očkovadla nejčastěji přidáváme do taveniny buď pouhým sypáním do proudu kovu při vylévání z pece nebo sypáním do licí pánve, která je z ¼ naplněná. Ferosilicium FeSi75 (slitina Fe se 75 % Si) je nejčastěji používaným očkovadlem. Důvodem je jeho cena a dostupnost. Dodává se ve formě zrnité, drátu nebo kompaktního bloku. V současnosti se na trhu nabízí velmi široká škála očkovadel, viz. tab. 7.

Použití a mechanické vlastnosti

Celkově lze litiny s lupínkových grafitem rozdělit dle použití do tří skupin:

• litiny pro běžné použití
• litiny se zaručenými mechanickými vlastnostmi
• litiny s vysokou pevností

Litiny pro běžné použití jsou očkované litiny typu EN GJL-100 a EN GJL-150. Tyto litiny jsou vhodné na tenkostěnné odlitky s tloušťkou stěny od 4 do 30 mm, nebo na odlitky, u kterých se nepožaduje záruka mechanických vlastností. Používají se pro výrobu součástí pecí, kotlů, roštů, odlitky na smaltování, vodovodní tvarovky, části textilních či polnohospodářských strojů, kanálové poklopy, mříže, více v tabulkách 8, 9.

Do druhé skupiny lze zařadit litiny EN GJL-200 a EN GJL-250. Jsou obvykle očkované 75 % ferosiliciem. Odlévají se z nich odlitky, u kterých se požaduje záruka mechanických vlastností (pevnost v tahu a tvrdost). Nejčastěji se používají v automobilovém a strojařském průmyslu. Jsou vhodné na převodové skříně, stojany lisů, soustruhy, frézky, motorové vložky, ozubená kola, motorové bloky, hlavy válců, písty, kompresorové válce, řemenice, více v tabulkách 8, 9.

Litiny s vysokou pevností jsou např. EN GJL-300 a EN GJL-350. Obvykle se označují jako jakostní litiny. Používají se na stojany těžkých lisů a obráběcích strojů, armatury, písty těžkých kompresorů, velká ozubená kola, pastorky, více v tabulkách 8, 9.

Chemické složení

Cílem legování do cca 1 % je získání takových vlastností litin, které nelze u nelegovaných docílit. Hlavními legujícími prvky jsou vanad, chrom, molybden, měď, nikl a cín, popřípadě i hliník, titan. Některé z těchto prvků jsou karbidotvorné a jiné grafitotvorné. U těch karbidotvorných prvků (V, Cr) musíme dát pozor na množství přísady, aby nedošlo ke vzniku ledeburitu ve struktuře. Tyto prvky musí být proto omezeny nebo kompenzovány prvky grafitotvornými (Cu, Ni).

Legování litin s lupínkovým grafitem se provádí z důvodu:

• zajištění perlitické struktury v celém průřezu odlitku
• zvýšení mechanických vlastností (pevnost, tvrdost, odolnost vůči opotřebení)
• zlepšení vlastností při zvýšených teplotách (stabilizace mech. vlastností, zvýšení odolnosti vůči oxidaci, tepelné únavě apod.)
• zlepšení odolnosti vůči korozi

Pro zvýšení mechanických vlastností litin je potřebné dosáhnout čistě perlitickou jemnozrnnou strukturu s vysokou disperzitou perlitu (minimální mezilamelární vzdálenost). Leguje se obvykle kombinací karbidotvorných prvků Cr, V a Mo s grafitotvornými prvky Cu a Ni a to v takovém poměru, aby byla struktura homogenní, bez výskytu feritu a bez volných karbidů. Tyto legury snižují kritické rychlosti transformace a tím umožňují získat čistě perlitickou strukturu i při pomalejším ochlazování. Současně zvyšují prokalitelnost a zlepšují možnost tepelného zpracování.

Perlitickou strukturu a tím zvýšení mechanických vlastností můžeme dosáhnout i přísadou dusíku. Za optimální rozsah se považuje 70 - 100 ppm dusíku. Při překročení meze rozpustnosti vznikají v litině bubliny.

Zjemnění struktury je další cestou jak zvýšit mechanické vlastnosti. Při zvýšení počtu eutektických buněk se zvyšuje homogenita struktury, zvyšuje se pevnost, tvrdost a dynamické vlastnosti litin.

Jak bylo výše uvedeno, litiny s jemnozrnným perlitem mají nejlepší mechanické vlasnosti. Obsah perlitu a jeho disperzita je závislá nejen na legování, ale hlavně na rychlosti ochlazování. Čím je vyšší rychlost ochlazování, tím je větší podíl perlitu s jemnozrnnější strukturou.

Všechny odlitky z litin s lupínkovým grafitem je možné používat při teplotách mezi –60 až 500 °C. Při teplotách vyšších, litiny své mechanické vlastnosti ztrácí, dochází k oxidaci a ke creepu. K zvýšení odolnosti vůči těmto teplotách na určitou dobu slouží legury Cr, Ni a Mo. Zvýšení odolnosti vůči oxidaci se dosáhne zjemněním struktury a legováním Cr a dále Cu, Ni, Mo a jejich kombinací.

K tepelné únavě odlitků dochází po cyklickém tepelném namáhání. Tepelná únava se projevuje postupným vznikem prasklin k tzv. mapování na povrchu odlitků a k hloubkové oxidaci litiny. Odolnost vůči tepelné únavě zvyšují všechny prvky, které stabilizují perlit při vyšších teplotách a ty prvky, které podporují vznik jemného (hustého) perlitu. Jsou to Mo, Cr, Ni. To zvýší životnost odlitků a zvýší počet tepelných cyklů do porušení. Také se osvědčují litiny s vysokým obsahem uhlíku ve formě volného grafitu, které mají dobrou tepelnou vodivost.

Odolnost vůči korozi se nedá nízkým legováním příliš zvýšit. Ale lze prodloužit životnost součástek. Účinek legur spočívá ve vytvoření jemnozrnné hutní povrchové vrstvy z korozních zplodin, která brání dalšímu postupu koroze do hloubky odlitku. Odolnost proti korozi jednotlivých strukturních složek se zvyšuje v pořadí: ferit, perlit, cementit, grafit. Pro použití v korozním prostředí je proto výhodná struktura jemnozrnného perlitu. Odolnost vůči korozi se zvyšuje přídavkem Cu (do 2 % snižuje atmosférickou korozi), Ni (do 3 % snižuje korozi v neoxidačních kyselinách) a Cr (do 0,8 % způsobuje zjemnění struktury).

Tepelné zpracování

Tepelné zpracování u litin s lupínkovým grafitem lze rozdělit do dvou skupin a to podle teploty ohřevu (Obr. 23).

Maximální teplota tepelného zpracování je nižší než eutektoidní A_1,1 - A_1,2

1. žíhání ke snížení zbytkového pnutí po odlévání
2. žíhání sferoidizační
3. žíhání feritizační
Maximální teplota tepelného zpracování je nad teplotou A_1,2
4. žíhání ke snížení tvrdosti
5. žíhání ke zvýšení tvrdosti
6. povrchové kalení

a) Žíhání ke snížení zbytkové napjatosti po odlití se obvykle používá u tvarově složitých odlitků. Při vychladnutí vzniká v odlitku značné tepelné (tahové) napětí, které zvyšuje rychlost chladnutí, nerovnoměrná tloušťka stěny odlitků apod. Toto napětí může být velké a způsobit prasknutí odlitku. Může se uvolnit ještě ve formě, či po určité době. Vnitřní pnutí je potřeba odstranit ještě před obráběním a to uměle, žíháním při teplotě pod A_1,1. Podle diagramu na obrázku 23, klesá napětí až po výdrži na teplotě nad 400 °C. Celkem se odstraní až po překročení teploty 500 °C a výdrže 1 000 min. Nad teplotou 550 °C však už probíhá částečná sferoidizace eutektického cementitu, takže začíná pozvolna klesat pevnost. Po výdrži na teplotě by se mělo ochlazovat rychlostí 25 až 80 °C za hodinu, aby se napětí znovu nevytvořilo.

b) Sferoidizačním žíháním se snižuje tvrdost a zlepšuje obrobitelnost. Mění se poměr perlitu a feritu ve struktuře.

c) Při feritizačním žíhání by se měl zvýšit podíl feritu na úkor perlitu, tvrdost klesá. Tato technologie má mnohé úskalí, proto se v praxi používá výjimečně.

d) Žíhání ke snížení tvrdosti se provádí, jestliže se vyskytne ve struktuře ledeburit, který způsobuje vážné problémy při obrábění. Rozpad ledeburitického cementitu probíhá za teplot 900 až 950 °C po dobu zhruba 2 až 3 hodiny. Po té je doporučená ochlazovací rychlost 50 až 100 °C za hodinu. Pokles teploty přes eutektoidní interval je potřeba regulovat, aby výsledný poměr feritu a perlitu odpovídal požadavkům. Po vychladnutí je nutné žíhat ke snížení pnutí.

Dále se může používat i tzv. normalizační žíhání, které se využívá, když se zvýší obsah křemíku v tavenině a tak klesne požadovaná pevnost odlitku (zvýší se tím množství feritu). Žíhá se na teplotě 880 až 920 °C, výdrž bývá krátká, obvykle stačí 2 až 3 hodiny. Po skončení výdrže se odlitky ochlazují na vzduchu. Po vychladnutí je nutné žíhat ke snížení pnutí.

e) Kalení u tohoto typu litin není vhodné, protože se na ostrých koncích grafitu tvoří praskliny.

f) Povrchové kalení se používá u odlitků, kde je třeba zvýšit tvrdost rovných či rotačních ploch (odolnost proti opotřebení).

Litiny s kuličkovým grafitem

Litina s kuličkovým (zrnitým) grafitem (podle staršího označení tvárná litina) obsahuje ve struktuře grafit vyloučený v podobě kuliček, dále matrici se strukturou perlitickou, se směsí perlitu a feritu a se strukturou čistě feritickou, obrázek 24.

Chemické složení těchto litin se pohybuje okolo 3,2 až 4,2 % C, 1,5 až 4 % Si, 0,4 až 0,8 % Mn, pod 0,1 % P, pod 0,02 % S. Konkrétní obsahy jednotlivých prvků uvádí tabulka 10 v závislosti na požadované matrici.

Částice grafitu ve formě kuliček jsou složité polykrystaly. Primární pyramidální krystality jsou paprskovitě uspořádány a tvoří tak jednu grafitickou částici, viz obrázek 25. Existuje několik teorií, jak litina s kuličkovým grafitem krystalizuje. Tou nejznámější je popis vlivu přidávaných látek do tekutého kovu, které zvyšují povrchové napětí na rozhraní grafit – tavenina a vyvolávají tak krystalizaci do tvaru s nejmenším povrchem (koule). Z toho plyne, že aby vznikl kuličkový grafit, nestačí jen železo,uhlík a křemík, ale musí se do taveniny dodávat skupina prvků, které ovlivňují růst zárodku do požadovaného tvaru. Tato technologická operace se nazývá modifikování a látka, kterou se modifikuje, je modifikátor. Ty jsou nejčastěji na bázi hořčíku. Hořčík však zvyšuje stabilitu karbidů, proto je nutné, aby po modifikaci následovalo grafitizační očkování, viz Obr. 3 a kapitola očkování.

Modifikování

Existuje několik postupů, kterými se může litina kuličkovým modifikovat. Modifikátor (Mg a jeho slitiny) se vnáší do tekutého kovu nejrůznějšími metodami a to metodou přelívací v otevřené pánvi, ponornou metodou, různými průtokovými metodami, modifikování čistým hořčíkem v konvertoru apod.

Za minimální obsah Mg, který je potřeba na vznik kuličkového grafitu, se považuje 0,01 % s přídavkem ceru a jiným prvků vzácných zemin nebo 0,02 %, když je hořčík použitý samotný. Druhy modifikátorů lze rozdělit do následujících skupin a to:

• Kovový hořčík (v tyčích, práškový, plněný profil) je charakteristický intenzivní reakcí s tekutým kovem, proto se používá ve spojení s postupy, které řídí intenzitu této reakce (konvertory, tlakové pánve, ponorné zvony apod.).
• Slitiny hořčíku s niklem (4 - 6 % Mg a zbytek nikl nebo 13 - 16 % Mg, s přísadou Si, Fe a zbytek Ni) jsou těžší jako tekutý základný kov. Mají dobrou účinnost, protože zůstávají na dně pánve. Jsou na druhou stranu drahé a stabilizují perlit.
• Slitiny hořčíku s křemíkem a dalšími přísadami (3 - 30 % Mg, 45 - 55 % Si, do 4 % Ca, cca 1 % Al, do 5 % kovů vzácných zemin, zbytek Fe) jsou v současnosti nejvíc používanými. Schéma struktury konkrétního modifikátoru Fe-Si-Mg-Ca-Ce je na obrázku 26.

Někdy po chybách v modifikaci, po nesprávných ochlazovacích rychlostech a jiných faktorech může dojít ke vzniku odchylek od kulovitého tvaru grafitu. Mohou vzniknout tyto tvary grafitu:

• červíkovitý (vermikulární) grafit
• rozpadnutý, explodovaný grafit
• lupínkový mezibuňkový grafit
• Chunky grafit

Červíkovitý grafit vzniká v litině po nedostatečné modifikaci, např. při malém množství modifikační přísady.

Rozpadnutý, explodovaný grafit se může vyskytnout v odlitcích z nadeutektické litiny, nebo při velmi pomalých ochlazovacích rychlostech.

Prvky podporující vylučování lupínkového grafitu segregují do naposled tuhnoucích míst, ve kterých dosahují vysokou koncentraci a způsobí tak, že se v těchto prostorech vyloučí lupínkový grafit (na hranicích eutektických buněk). Nejčastěji k tomu dochází ve velkých odlitcích, kde je na tuto segregaci dostatečně dlouhý čas.

Takzvaný Chunky grafit se tvoří uvnitř buněk, přičemž buňkové hranice mohou obsahovat i kvalitní kuličkový grafit. Proces vzniku tohoto typu grafitu není jednoduchý a není ovlivněn jen jedním faktorem, ale jejich kombinací. Nejčastěji k němu dochází při nízkých ochlazovacích rychlostech (velká tloušťka stěny odlitku).

Chemické složení

Uhlík a křemík jsou jediné prvky, které významně podporují bezkarbidickou strukturu v litém stavu. Horní hranici jejich obsahu vymezuje rozpustnost uhlíku v tekuté slitině a případně zvýšená křehkost, snížená tepelná vodivost, snížení nárazové práce, zvýšení přechodové teploty při rostoucím obsahu křemíku. Křemík na druhou stranu zpevňuje ferit a zvyšuje tak jeho tvrdost, hlavně v žíhaném stavu.

Kromě uhlíku a křemíku se v litině s kuličkovým grafitem vyskytuje i mangan. Mangan je velmi silný aktivátor karbidů, proto je jeho obsah ve slitině řízen, abychom předešli tvorbě karbidů v litém stavu. Jeho maximální obsah je řízený množstvím křemíku a tloušťkou stěny odlitku.

Fosfor je prvek, který se vyskytuje ve všech vsázkových surovinách a vyskytuje se proto i v litinách. Vytváří fosfid železa (Fe₃P), který segreguje do naposled tuhnoucích míst (hranice buněk). Tyto místa mohou obsahovat až dvojnásobek obsahu P a v tenkých odlitcích až jeho desetinásobek. Fosfid železa je velmi tvrdá a křehká fáze. Při obsahu P z 0,03 na 0,06 % může dojít ke snížení tažnosti litiny na polovinu. To má za následek i snížení houževnatosti, pevnosti, zvýšení popouštěcí křehkosti apod. Měl by se proto dodržet obsah fosfo­ru menší než 0,04 %. Proto se doporučuje používat kvalitní vsázku, kde je fosforu minimum.

Stabilizace perlitu ve struktuře a tím zvýšení pevnosti a tvrdosti litiny zabezpečují přísady jako je Sn, Mo, P, Cu, Ti, Mn, Ni a Cr, ze kterých mají negativní účinky P, Ti, Mn a Cr a z ekonomických důvodů není aktuální doporučovat Ni a Mo. Základní perlitizační přísadou jsou tedy Cu a Sn. Účinek cínu je asi desetinásobný oproti mědi. Má ale nevýhodu, že podporuje vznik mezibuňkového lupínkového grafitu. Proto se ho doporučuje jen 0,05 %. Na druhé straně je přidávání mědi bezpečné až do 2 %.

Použití a mechanické vlastnosti

Vlastnosti odlitků z litin s kuličkovým grafitem závisí na množství, velikosti a druhu grafitu (dokonalý a částečně zrnitý) a od složení základní matrice (poměr mezi feritem a perlitem). Množství a velikost grafitu závisí u nelegovaných litin na množství uhlíku, křemíku a manganu, dále na rychlosti ochlazování (tloušťka stěny, materiál formy).

V porovnání s litinami s lupínkovým grafitem má litina s kuličkovým grafitem větší pevnost, modul pružnosti, tvrdost (perlitické matrice), tažnost a nárazovou práci (feritická matrice) apod. Tyto litiny se legují převážně proto, abychom zlepšili konkrétní mechanické vlastnosti, zvýšila odolnost vůči oxidaci a aby byla spolehlivě dosažena požadovaná struktura v litém stavu, popř. po tepelném zpracování.

Aby bylo dosaženo maximálních pevností (struktura perlitická, sorbitická či bainitická) je doporučeno legovat mědí, a to od 1 do 1,5 %, nebo cínem do 0,1 % a také provést tepelné zpracování. Po zvláštním typu tepelného zpracování, tzv. bainitickém zušlechťování, vznikne kovová matrice bainitická, která má tu nejvyšší pevnost, při zachování relativně dobré houževnatosti. Jsou to tzv. ADI litiny.

Hloubková oxidace způsobená pronikáním kyslíku podél grafitu do hloubky litiny je u litin z kuličkovým grafitem méně častá než u litin s lupínkovým grafitem. Odolnost vůči oxidaci se zvýší přidáním křemíku (do 4 % Si), který na povrchu odlitku vytváří hustou oxidickou vrstvu.

Litina s kuličkovým grafitem je v současnosti nejpoužívanější litinou a je někdy používaná místo ocelí na odlitky. Úspory, které tato litina přinese, nejsou zanedbatelné (úspora energie při tavení, úspora kovu) a mají některé vlastnosti lepší (menší měrná hmotnost, dobré kluzné vlastnosti, tlumící vlastnosti, lepší slévárenské vlastnosti, lehčí obrobitelnost apod.).

Značení litin, jejich mechanické a fyzikální vlastnosti, spolu s jejich použitím jsou uvedeny v tabulkách 11 a 12.

Podle použití je možné rozdělit litiny s kuličkovým grafitem do třech skupin.

• litiny pro běžné použití
• litiny pro běžné použití pro práci za nízkých teplot
• litiny s nejvyšší pevností

Litiny pro běžné použití. Tyto litiny pracují i při nízkých teplotách např. EN GJS350-22, EN GJS400-15 a EN GJS400-18. Jsou vhodné na odlitky dynamicky namáhané, u kterých se požaduje záruka mechanických vlastností a hlavně vysoké plastické hodnoty i při nízkých teplotách (např.– 50 °C).

Litiny pro běžné použití pro práci za nízkých teplot. Jsou to EN GJS500-7, EN GJS600-3. Tyto litiny jsou vhodné na odlitky dynamicky namáhané, v automobilovém a strojařském průmyslu, jako jsou vačkové, klikové hřídele, dále součástky na převodové skříně, motorové vložky a ozubená kola.

Litiny s nejvyšší pevností EN GJS700-2, EN GJS800-2 a EN GJS900-1. Většinou jsou to velmi mechanicky a dynamicky namáhané litiny v automobilovém a strojním průmyslu.

Tepelné zpracování

Způsoby tepelného zpracování této litiny lze rozdělit do dvou skupin: žíhání a zušlechťování.

Žíhání ke snížení zbytkové napjatosti, více popsáno u litin s lupínkovým grafitem.

Sferoidizačním žíháním se snižuje tvrdost a zlepšuje obrobitelnost. Toto tepelné zpracování se používá výjimečně, protože se při něm poruší uspořádání v matrici (tj. poměr feritu a perlitu). Jestliže má litina získat opět původní vlastnosti, je potřebně provést normalizační žíhání s regulovanou rychlostí ochlazení.

Při feritizačním žíhání musí vzniknout feritická struktura v celém průřezu. Provádí se ohřev do teplot 850 až 920 °C, prodleva je v hodinách a ochlazování na volném vzduch o rychlosti 100 až 150 °C/h.

Normalizační žíhání se používá, když se zvýší příliš obsah křemíku v tavenině a klesne tak požadovaná pevnost odlitků.

Žíhání na odstranění volného cementitu je potřebné, když se ve struktuře objeví ostrůvky cementitu, které způsobují problémy při obrábění a snižují mechanické vlastnosti.

Povrchové kalení indukční nebo plamenem se používá u odlitků, u kterých je požadována vysoká tvrdost do určité hloubky. Provádí se ohřev do teplot 850 až 920 °C, prodleva je závislá na hloubce zakalení a následuje rychlé ochlazování do vody či oleje. Poté může následovat popouštění.

Izotermické zušlechťování na bainit je velmi časté tepelné zpracování litin s kuličkovým grafitem. Těmto slitinám se pak říká tzv. ADI litiny z anglického Austempered Ductile Iron a jsou vhodné pro vysokopevné odlitky, viz tabulka 13. a obr. 28. Izotermické zušlechťování se skládá z austenitizace, rychlého ochlazení na teplotu v bainitické oblasti a dochlazení na pokojovou teplotu, obr. 27. Při austenitizaci se materiál ohřeje na teplotu 850 až 1 000 °C (tzn. nad A_1,2), na které zůstává po dobu, než se struktura zaustenitizuje (1 - 3 h). Po té následuje rychlé ochlazení na teplotu izotermické přeměny (do bainitické oblasti) v austenitické peci. Následuje přemístění materiálu do solné lázně s teplotou 250 až 450 °C. Vyšší teploty způsobí vznik struktury (horního bainitu), která má nižší pevnostní vlastnosti a tvrdost, ale vyšší plastické vlastnosti, houževnatost, únavové vlastnosti apod. Při nižších teplotách pak vzniká struktura (dolního bainitu), která má vyšší pevnost, tvrdost a odolnost vůči opotřebení odlitku, ale houževnatost je menší.

Litiny s červíkovitým grafitem

Litina s červíkovitým grafitem má ve struktuře zvláštní tvar grafitu a to červíkovitý či vermikulární grafit. Někdy obsahuje i malé množství nedokonale zrnitého grafitu (cca 20 % z celkového objemu vyloučeného grafitu). Matrice bývá nejčastěji perlitická, feritická, či kombinace obou složek, viz obrázek 29.

Chemické složení těchto litin se pohybuje okolo 3,2 až 4,2 % C, 1,5 až 4 % Si, 0,4 až 0,8 % Mn, pod 0,1 % P, pod 0,02 % S (stejně jako litina s kuličkovým grafitem).

Červíkovitý (vermikulární) grafit je morfologická varianta grafitu, nacházející mezi lupínkovitým a zrnitým grafitem. Je známý spíše jako nežádoucí forma vyloučeného grafitu v tvárné litině. Někdy se objevuje jako důsledek nedostatečného modifikování nebo při relativně vysokém obsahu síry.

Tato litina se mnohdy vyrábí záměrně a to o poměru min. 80 % červíkovitého grafitu a max. 20 % nedokonale nebo pravidelně zrnitého grafitu. Vyrábí se ze surovin, které odpovídají svým chemickým složením jako litina s kuličkovým grafitem. Požaduje se přibližně eutektické složení a nízký obsah síry (do 0,02 %).

Podstatou její výroby je způsob modifikace, který zabezpečí neúplnou sferoidizaci grafitu. Jsou známé čtyři hlavní druhy modifikování.

• modifikování Mg v menším množstvím, než jaké je třeba pro vznik kuličkového tvaru
• modifikování kombinací prvků s globularizačním a antiglobularizačním účinkem (Mg+Ti)
• modifikování komplexními neseparovanými lanthanoidy (slitiny kovů vzácných zemin) a to: cca 50 % Ce, 20 % La, zbytek jsou ostatní lanthanoidy
• modifikování kombinací Mg a kovy vzácných zemin

Po modifikování tvaru grafitu je potřebné vždy zařadit grafitizační očkování. Používají se přednostně očkovadla typu FeSi75, v množství 0,4 - 0,7 %. Výsledné tvary červíků mohou vypadat následovně (viz. obrázek 30).

Struktura matrice litin s červíkovitým grafitem (viz obr. 31) v litém stavu závisí nejen na chemickém složení, ale i rychlosti ochlazování a na množství modifikátoru. Pro optimální modifikované odlitky je typická feriticko-perlitická matrice se 40 – 70 % feritu (obrázek 29b).

Použití a mechanické vlastnosti

Mechanické vlastnosti této slitiny stojí mezi vlastnostmi litiny s lupínkovým a kuličkovým grafitem. Tato litina však není v České Republice normovaná. Podle DIN norem se rozeznává pouze pět druhů této litiny a to: GJV 300, GJV 350, GJV 400, GJV 450 a GJV 500. Mechanické vlastnosti jsou uvedeny v tabulce níže.

Charakteristická kombinace vlastností předurčuje tuto litinu na výrobu tvarově složitých odlitků, pro které nepostačuje tvárná litina svými slévárenskými vlastnostmi a šedá litina svými mechanickými vlastnostmi. Další vhodné použití této slitiny je na mechanicky namáhané odlitky, které pracují v podmínkách tepelných rázů.

Hlavní aplikací litiny s vermikulárním grafitem jsou odlitky pro automobilový průmysl (hlavy válců, výfuky, ventilová pouzdra, pístové kroužky, bloky válců).

Tepelné zpracování

Dříve byly zkoušeny i metody tepelného zpracování pro zlepšení vlastností této litiny tj. na získání pevnější matrice (perlitické, bainitické, martenzitické, sorbitické). Bohužel však zvýšení pevnosti bylo doprovázené podstatným zkřehnutím struktury. Reálné využití ovlivnění mechanických vlastností lze očekávat pouze od perlitizačního či feritizačního žíhání, po kterém je zkřehnutí materiálu nejmenší.

Temperované litiny

Temperované litiny jsou svým chemickým složením podeutektické bílé litiny s nízkým stupněm eutektičnosti, které jsou tepelně zpracovány tzv. temperováním. Temperování je vlastně dlouhotrvající žíhání odlitků z bílé litiny, kdy se začíná rozpadat ledeburitický či perlitický cementit. Tímto procesem vzniká vločkový grafit, který je typický pro tuto litinu.

Rozeznáváme dva druhy temperovaných litin a to:

• temperovaná litina s bílým lomem (vzniká oduhličením při temperování, velmi dlouhé tepelné zpracování při vysokých teplotách, viz. obrázek 32 – křivka 1)
• temperovaná litina s černým lomem (cementit se rozpadá na tuhý roztok austenit či ferit a na grafit, viz. obrázek 32, křivka 2 a 3)

Temperovaná litina s bílým lomem

Temperování na bílý lom probíhá při teplotách okolo 1000 °C. Povrch temperované litiny je oduhličený, viz obrázek 33. Oduhličením povrchu vzniká koncentrační spád uhlíku od povrchu k jádru, který umožňuje další difúzi atomů uhlíku z jádra na povrch odlitku. Při oduhličovaní se snižuje obsah uhlíku v austenitu. Takto porušená rovnováha mezi austenitem a cementitem se vyrovná rozpouštěním cementitu (a jiných karbidů) v austenitu. Tento proces začíná nejdříve na povrchu odlitku a v dalších etapách ústí k jádru. Ochlazením litiny po temperování na místech, kde je austenit ochuzený o uhlík, nastává jeho překrystalizace na ferit. Ve vnitřních, méně oduhličených vrstvách vzniká směs feritu a perlitu. Tam, kde je uhlíku dostatek vzniká grafit, který má pavoučkovitý tvar (vločkový).

Toto temperování je zastaralé, je velmi zdlouhavé a nákladné. Využívá se nejčastěji pro tenkostěnné odlitky s tloušťkou stěny maximálně 6 mm.

Temperovaná litina s černým lomem

Temperovaná litina s černým lomem a feritickým základem se vyrábí grafitizací prvního a druhého stupně. První stupeň probíhá při teplotách okolo 950 °C, dokud se úplně nerozpadne ledeburitický, popřípadě sekundární cementit na austenit a temperovaný uhlík (vločkového tvaru). Po té nastává ochlazování na teplotu druhého stupně a setrvání na teplotě. Tady se začíná rozpadat perlitický cementit na ferit a temperový uhlík. Následuje pomalé ochlazení, aby se neporušila stabilní rovnováha. Mikrostrukturu pak tvoří feritická matrice a grafit, viz. obrázek 34.

Zvláštním typem je temperovaná litina s černým lomem a perlitickým základem. Provede se první stupeň (ohřev na teplotu okolo 950 °C) a po té co se struktura rozpadne na austenit a temperovaný vločkový grafit, po té se odlitek úplně ochladí v prostředí proudícího vzduchu. Při tomto procesu se austenit přemění na perlit. Po té se slitina popouští při teplotách nižších než je A₁. Podle zvolené teploty se získá matrice globulárního nebo lamelárního perlitu s určitým podílem feritu, který zlepšuje tažnost, ale snižuje pevnost v tahu.

Použití a mechanické vlastnosti

Nevýhodou všech temperovaných litin je jejich špatná zabíhavost a velká smrštivost. Proto se nedají použít na velké odlitky. Temperované litiny se uplatňují zejména při výrobě středně mechanicky namáhaných součástek, hlavně pro součástky automobilů, polnohospodářských strojů, vagónů, lokomotiv apod. Základní normované druhy jsou uvedeny v tabulce níže, spolu s jejich použitím a mechanickými vlastnostmi.

ADI litiny

Veškeré informace týkající se litiny izotermicky zušlechtěné s kuličkovým grafitem (ADI litiny) naleznete v tepelném zpracování litin s kuličkovým grafitem.

Použitá a doporučená literatura

1. SKOČOVSKÝ, P. – PODRÁBSKÝ, T.: Grafitické liatiny. EDIS ŽU, Žilina 2005.
2. SKOČOVSKÝ, P. - ŠIMAN, I.: Štruktúrna analýza liatin. ALFA Bratislava, 1989.
3. SKOČOVSKÝ, P. - MATEJKA, M.: Mikroštruktúra liatin - metalografická príručka. Fompex Trenčín - ES VŠDS, 1994.
4. PÍŠEK, F. et al.: Nauka o materiálu, I/4. Praha 1975.
5. SKOČOVSKÝ, P. et el.: Konštrukčné materiály. EDIS ŽU, Žilina 2000.
6. PLUHAŘ, J. - KORITTA, J.: Strojírenské materiály. 2.vyd., SNTL Praha, 1977.
7. PTÁČEK, L. et al.: Nauka o materiálu I, II. CERM Brno, 2002.
8. Podrábský, T.: In.: Výroba a vlastnosti oceli na odlitky a tvárné litiny, Brno, 1994, 166.
9. VĚCHET, S. - KOHOUT, J. - ŠVEJCAR, J.: In.: Fatigue c99 – Proceedings of the seventh international fatigue congress. 1st ed. Beijing: Higher education press, 1999, vol. 3, 2077-2082.
10. VĚCHET, S. - KOHOUT, J.: Vysokocyklové únavové vlastnosti litin s kuličkovým grafitem – I. část. Slévárenství 37 (1999) 11-12, 638-64.
11. Tvárná litina, příloha čas. Slévárenství, 1993, srpen, vyd. Svaz sléváren Brno.
12. DORAZIL, E.: Vysokopevná bainitická tvárná litina- Praha Academia, 1985.
13. Věchet, S. - Kohout, J.- BOKůVKA,O.: Únavové vlastnosti tvárné litiny. 2.vyd. EDIS ŽU, Žilina 2002.
14. PACAL, B. – DOLEŽAL, P.: Studijní opora Slitiny stabilní soustavy Fe-C, dostupné z URL http://ime.fme.vutbr.cz/studijni opory.html
15. PACAL, B. – DOLEŽAL, P.: Studijní opora Slitiny metastabilní soustavy Fe-Fe₃C, dostupné z URL http://ime.fme.vutbr.cz/studijni opory.html