10 LEGURE ZA LIVENJE

Proizvodi mašinske industrije, globalno posmatrano, imaju u sebi najviše ugra-djenih valjanih metalnih produkata pa onda odlivaka (1/3 ukupnog materijala).

Ekonomski opravdana izrada odlivaka traženog kvaliteta i bez grešaka moguća je samo od odredjenih legura koje poseduju dobru livkost. Pod pojmom livkosti obuhvaćen je skup livačkih osobina vezanih kako za samu leguru, tako i za kalupnu šupljinu (formu) u koju se tečan metal izliva. Livačke su osobine uglavnom: toplji-vost, tečljivost i livkost, apsorpcija gasova, segregacija, promena zapremine pri oč-vršćivanju i hladjenju, rečju livačko skupljanje. Topljivost je sposobnost metala i legura da pri zagrevanju mirno predju iz čvrstog stanja u tečno, obrazujući pri tome homogen rastop. Zavisno od temperature topljenja (Tt) i livenja (Tl), legure Ti, Fe i Ni svrstavaju se u legure sa visokom Tt, legure Cu sa srednjom Tt i legure Al, Mg, Zn, Pb i Sn sa niskom temperaturom topljenja.

Najbolje su topljive eutektičke legure i uopšte legure sa niskom Tt, malom spe-cifičnom toplotom i latentnom toplotom topljenja. Tečljivost se definiše kao recip-ročna vrednost dinamičke viskoznosti i zavisna je, za dati materijal, od temperature tečnog metala (liva). Za livačku praksu najvažnija karakteristika je tečljivost izme-rena pri temperaturi liva za vreme popunjavanja kalupa. Odredjuje se probama u spiralnom kalupu. Kad se kaže da legura ima dobru livkost podrazumeva se da mo-že popuniti kalup složenog oblika, pre nego što liv očvrsne.

Ostale, gore navedene osobine legura (apsorpcija gasova, segregacija, livačko skupljanje) izučavaju se u fizičkoj hemiji, metalurgiji i tehnologiji livenja.

Najvažnije legure za livenje dele se na: 1) Livačke legure gvoždja: liveno gvoždje i čelični liv, 2) Livačke legure neželeznih metala:

• laki metali i legure (gustina manja od 4.5 kg/dm3) i • teški metali i legure (gustina veća od 4.5 kg/dm3).

Mašinski materijali

246

Neželezne livačke legure uglavnom su legure aluminijuma (Al-Si, Al-Mg), le-gure bakra (bronze, mesinzi) i ostale (legure Mg, legure Zn, legure Ni, legure Pb i ležišne legure olova i kalaja).

10.1 Liveno gvoždje

Livena gvoždja, ili kako se još zovu tehničke legure gvoždja, sadrže više od 2% C kao i Si, Mn, P i S. Svi ovi sastojci u znatnoj meri utiču na korisne osobine legura gvoždja, a naročito Si (1-3%) pa se one mogu smatrati trojnim legurama Fe-C-Si. Liveno gvoždje se dobija pretapanjem sivog sirovog gvoždja (uz dodatak starog gvoždja) u kupolnoj peći, plamenoj peći i sve češće u električnim lučnim ili indukcionim pećima. Medju najveće potrošače odlivaka spada energetika, mašino-gradnja, rudarstvo, hemijska industrija i industrija motornih vozila.

Livena gvoždja se klasificiraju prema strukturi, odnosno uglavnom na osnovu stanja u kome se javlja ugljenik kao i oblika slobodnog ugljenika (grafita). Najne-povoljniji je lamelarni oblik grafita jer najviše narušava metalni kontinuitet, sma-njujući time jačinu i istegljivost legure. Na slici 10.1 prikazan je uticaj različitih oblika i položaja grafita na naponsko stanje pri opterećenju na zatezanje u pravcu ose y.

GrafitGrafit

Naponske linijeNaponske linije

Slika 10.1 Naponsko stanje zategnutog uzorka u funkciji položaja i oblika grafita

Livačke legure na bazi gvoždja, zavisno od stanja u kome se pojavljuje uglje-nik dele se na sivo i belo liveno gvoždje (LG), a u širem smislu i na čelični liv (ČL). Kod sivog LG jedan deo ugljenika vezan je u cementit, a drugi deo je slobodan u vidu grafita, dok je kod belog LG sav ugljenik sadržan u cementitu.

Prema obliku grafita u sivom livenom gvoždju razlikuju se: sivi liv - SL (lame-larni grafit), nodularni liv - NL (zrnast grafit) i temper liv - TeL (grafit oblika sne-žnih pahuljica). Osobine livenih gvoždja iste vrste u velikoj meri zavise od veličine i oblika odlivka, pa se zato u okviru iste klase dalje podele izvode prema mehanič-kim osobinama (vidi tab. 10.1 i 10.2), a redje po hemijskom sastavu (tab. 10.3).

Legure za livenje

247

10.1.1 Sivi liv

Od već navedenih oblika grafita u livenim gvoždjima najnepovoljniji je lame-larni, jer preseca metalnu masu i stoga smanjuje jačinu na kidanje i još više isteg-ljivost. I pored toga, sivi liv je najvažniji materijal za izradu odlivaka. Izgled mi-

krostrukture perlitnog sivog liva dat je na slici 10.2. Naziv sivi liv potiče od tamnog izgleda prelo-mljenog odlivka. Od ukupne ko-ličine ugljenika u sivom livu, najviše - 0.8% C vezano je u ob-liku karbida gvoždja (cementit-Fe3C sadržan u perlitu), a preos-tala količina izlučena je u obliku lamelarnog grafita. U sivom livu nema slobodnog cementita, već samo u vidu eutektoida-perlita. Metalna osnova (matrica) live-nog gvoždja, zavisno od % C i % Si može biti perlitna, perlitno-

feritna i feritna (slika 10.3). Moguće strukture livenog gvoždja zavisno od sadržaja Si i C daje Maurerov dijagram (sl. 10.4), odnosno Grajner - Klingenštajnov dija-gram1 (sl. 10.5) koji uzima u obzir (C + Si) i debljinu zida odlivka.

Ferit FeritGrafit

GrafitGrafit

Perlit

Perlit

Slika 10.3 Strukture feritnog (a), feritno - perlitnog (b) i perlitnog (c) livenog gvoždja

Ferit je mek, žilav i veoma duktilan, ali male jačine (Rm = 250 MPa). Perlit je eutektoid koji nastaje polimorfnim preobražajem austenita pri temperaturi ispod 727ºC. Perlitno sivo liveno gvoždje najjače je medju navedenim vrstama sivih li-vova, jer perlitu odgovara Rm = 700 MPa.

1 Ovi dijagrami, kao i izrazi 10.1 i 10.2, za CE i Sc, odnose se ne samo na sivi liv, već na sve vrste li-venih gvoždja. Maurerov dijagram danas nema veći značaj jer ne uzima u obzir brzinu hladjenja, tj. debljinu zida odlivka, a pominje se uglavnom iz istorijskih razloga.

Slika 10.2 Mikrostruktura perlitnog sivog liva

Mašinski materijali

248

Iz dosadašnjeg razmatranja vidi se da je metalna matrica sivog liva u stvari če-lična, a da je razlika samo u slobodnom ugljeniku - grafitu. Ako je u legurama Fe-C, sadržaj ugljenika veći od 2% jedan njegov deo se sjedinjuje sa Fe, a preostali deo ugljenika, pri sporom hladjenju, taloži se u obliku praška-grafita.

0 1 3 2 4 5 6 70

1

2

3

4

5

Sadržaj Si, %

Sadr

žaj C

, %

I

II

III

I'

II'

I - Belo liveno gvoždje (tvrdi liv)

II - Perlitno sivo liveno gvoždje

III -Feritno sivo liveno gvoždje

I' - Prelazne strukture izmedju belog i sivog livenog gvoždja (melirano liveno gvoždje)

II' - Prelazne strukture izmedju feritnog i perlitnog livenog gvoždja

Slika 10.4 Maurerov dijagram

I - Belo liveno gvoždje (tvrdi liv)

II - Perlitno sivo liveno gvoždje

III -Feritno sivo liveno gvoždje

I' - Prelazne strukture izmedju belog i sivog livenog gvoždja (melirano liveno gvoždje)

II' - Prelazne strukture izmedju feritnog i perlitnog livenog gvoždja

0 10 20 30 40 50 60 703

4

5

6

7

8

I I'II

II'III

Debljina zida, mm

Sadr

žaj (

C +

Si),

%

Slika 10.5 Grajner-Klingenštajnov dijagram

Hemijski sastav sivog liva obično je u granicama: 2.8-3.5% C; 0.5-0.8% Mn; 1.5-3% Si; 0.2-1.2% P i 0.04-0.15% S. Sniženje sadržaja ugljenika ispod 2.8% po-goršava livkost, a povećanje iznad 3.5% daje više grafita i pogoršava mehaničke osobine. Pored povećanog sadržaja ugljenika u odnosu na čelik, može se uočiti da sivi liv ima i povećan sadržaj Si i P. Uticaj silicijuma je veoma značajan jer on umanjuje rastvorljivost ugljenika u gvoždju, pa ostaje više slobodnog ugljenika u vidu grafita. U tom smislu povećanje sadržaja silicijuma za 1% odgovara smanje-nju sadržaja ugljenika za 0.3%, što pomera eutektičku tačku ka nižim % C. Ipak sadržaj Si ne sme preći 3% jer se stvara veoma tvrd fero-silicijum. Uzimajući u ob-zir da na eutektičku tačku pored C utiče Si i u nešto manjoj meri P, uvodi se tzv. ekvivalentni ugljenik (CE) kojim se procenjuje da li je liveno gvoždje podeutektič-ko ili nadeutektičko:

Legure za livenje

249

2P %

4Si %C %CE ++= . (10.1)

Ako je sadržaj Si u livenom gvoždju nizak, ili ako je brzina hladjenja odlivka velika, ili ako su prisutni i karbidotvorni elementi nastaće očvršćivanje po metasta-bilnom sistemu (Fe-Fe3C). To liveno gvoždje ima skoro sav ugljenik vezan u obli-ku karbida gvoždja Fe3C i zove se belo liveno gvoždje. Odstupanje hemijskog sas-tava livenog gvoždja od eutektičkog sastava definiše se stepenom eutektičnosti (Sc):

( )P %Si %3.03.4C %Sc

+⋅−= . (10.2)

Eutektičkom sastavu livenog gvoždja odgovara Sc = 1, podeutektičkom Sc < 1 i nadeutektičkom Sc > 1.

Jačina na kidanje šipki od sivog liva direktno zavisi od Sc prema izrazu:

MPa,ScRm ⋅−= 8251020 . (10.3)

Ovaj Patersonov izraz važi za uzorke prečnika 20 mm, dobijene mašinskom ob-radom štapova (φ30 mm ) odlivenih u suvim kalupima.

Liveno gvoždje sa povećanim sadržajem Si očvršćava u peščanim kalupima kao sivo. Pošto fosfor znatno popravlja livkost i otpornost na habanje, ali povećava i krtost (mreža steadita-trojne eutektike perlita, cementita i Fe3P) njegov sadržaj se može znatno varirati.Tankozidni masovno produkovani odlivci, koji ne prenose spoljašnje opterećenje npr. rešetke, ploče i vratanca peći, grejači (rostovi), kade, levkovi, sadrže s obzirom na popravljanje livkosti, 0.6-1.2% P (obični, opšti, trgo-vački kvalitet). Suprotno, kod odlivaka namenjenih za delove mašina (mašinski liv) ograničava se sadržaj P na 0.4-0.5% s ciljem da se smanji krtost; samo u slučaju kada je primarni zahtev otpornost na habanje (cilindarske košuljice-hilzne) dopušta se i kod mašinskog liva 0.8-1% P.

U cilju usitnjavanja grafita, to znači popravljanja strukturnih i mehaničkih oso-bina, izvodi se modifikacija livenog gvoždja. Modifikacija se zasniva na tome da se rastopljenom livenom gvoždju, bilo u žlebu peći (koritance za ispuštanje tečnog li-va), u livačkom loncu ili u ulivnoj čaši, dodaje grafitizacioni modifikator (inoku-lant).

Kao modifikatori najčešće se koriste 75% fero-silicijum (Fe-Si) ili 60% siliko-kalcijum (Si-Ca) (u oba se slučaja % odnosi na Si).

Modifikator se dodaje u zrnastom obliku granulacije zavisne od mesta gde se on nasipa: u koritu 0.75-2 mm, 5-10 mm u livačkom loncu i 5-50 mm u ulivnoj čaši za odlivke od 5000 do 7000 kg.

Količina ubačenog fero-silicijuma iznosi 0.2-0.35%, a silikokalcijuma 0.2-0.5% u odnosu na masu odlivka. Delovanje modifikatora prestaje posle 15-30 min, pa se izlivanje u kalupe mora završiti pre isteka tog vremena. Ovaj tretman

Mašinski materijali

250

omogućuje da se kod odlivaka različite debljine zidova dobije perlitna struktura u kojoj su ravnomerno rasporedjene i medjusobno izolovane grafitne lamele srednje veličine. Modifikaciji se podvrgavaju livena gvoždja sa relativno malim sadržajem C (2.8-3.3%) i Si (1.1-1.5%), koja bi bez inokulanata imala strukturu meliranog li-va (ledeburit, perlit i grafit).

Na osnovu minimalne jačine na kidanje sivi liv se deli na sledeće klase (tablica 10.1): Tablica 10.1 Mehaničke karakteristike sivog liva

Klasa SL SL100 SL150 SL200 SL250 SL300 SL350 SL400

min Rm, MPa 100 150 200 250 300 350 400

max HB 192 201 216 238 250 270 280

Klase date u tablici 10.1 spadaju u mašinski liv, s tim što se tri zadnje klase proizvode modifikacijom. Osim toga, proizvodi se i SL000 bez garantovane jačine (trgovačkog kvaliteta).

Odlivci od sivog liva imaju nisku tvrdoću, malu jačinu na kidanje, ali 3-5 puta veću jačinu na pritisak. To je zato što napone zatezanja prenosi samo metalna os-nova, a ne i lamele praškastog grafita, dok pri dejstvu pritiska i one učestvuju u ra-spodeli napona.

U pozitivne osobine sivog liva spadaju: relativno jevtina proizvodnja, dobra li-vkost, dobra mašinska obradljivost odlivaka i otpornost na abraziju. Sem toga, unu-trašnje grafitne lamele čine da sivi liv dobro prigušuje oscilacije (deluju kao amor-tizer pri udarnom ili naizmenično promenljivom opterećenju) Takodje, sivi liv ima i dobre klizne osobine jer grafit deluje kao mazivo. To je i razlog što se odlivci od sivog liva koriste za blokove motora, klipne prstenove (karike). Antifrikcione oso-bine odredjene su odnosima perlita i ferita u metalnoj matrici, kao i količinom i ob-likom grafita. Za veća opterećenja traži se bar 85% perlita. Zahvaljujući prigušenju oscilacija, od sivog liva izradjuju se postolja mašina alatki, ploča za temelje dina-mički opterećenih mašina i sl., a zahvaljujući otpornosti na habanje izradjuju se i kočioni diskovi i doboši. Takodje se liju ulični protivpožarni hidranti, kojima je kr-tost prednost jer se lako lome pri eventualnom udaru automobila.

Mana odlivaka od SL je velika osetljivost na sve vrste koncentratora napona (površinske prsline, nagle promene preseka, zarezi). To se umanjuje konstrukci-onim merama (radijusi zaobljenja), metalurškim merama (modifikacija) i termič-kom obradom (popuštanjem zaostalih napona). U tom se cilju odlivci žare pri 500-570ºC, što ne samo da smanjuje napone već i stabilizuje dimenzije.

Vreme držanja na temperaturi žarenja je 3 do 10 sati zavisno od oblika i veliči-ne odlivka. Hladjenje posle žarenja mora da bude sporo što se izvodi zadržavanjem odlivka u peći dok se zajedno ne ohlade do sobne temperature. Na ovaj način sni-žava se nivo zaostalih napona za 80-90%. Ponekad se koristi prirodno starenje za

Legure za livenje

251

popuštanje napona u odlivcima. To se postiže držanjem odlivaka u skladištu livnice u roku 6 do 10 meseci.

10.1.2 Nodularno (duktilno) liveno gvoždje (NL)

Nodularni liv spada u relativno nove livačke legure budući da je pronadjen i patentnim pravom zaštićen 1949. godine. To je u suštini visokokvalitetno sivo li-veno gvoždje sa grafitom zrnastog (nodularnog, sfernog) oblika, ravnomerno ras-

poredjenim u metalnoj matrici (sl. 10.6). Sferni tj. loptasti oblik grafita postiže se uvodjenjem u prethodno desumporisani rastop male količine magnezijuma (u metalnom obliku ili legure sa Cu ili Ni) i zatim modifika-cijom. Time se zadržavaju dobre liva-čke osobine kao kod sivog liva, uz neuporedivo bolje mehaničke osobine koje dostižu ili čak prevazilaze odliv-ke od čeličnog liva. Mehaničke oso-bine nodularnog liva, uslovljene me-talnom matricom koja može biti: feri-tna, feritno-perlitna, perlitna, date su u

tablici 10.2, gde je: Rm- jačina na kidanje, Rp- konvencionalni napon tečenja, A5.65- izduženje.

Iz priložene tablice se vidi da se mehaničke osobine nodularnog liva mogu upo-rediti sa termički obradjenim čelicima. Iz tog aspekta, i uz to i niže produkcione cene, odlivci od nodularnog liva uspešno konkurišu čeličnim odlivcima, pa čak i otkovcima. U tom smislu najveća je upotreba odlivaka od nodularnog liva u mo-tornoj industriji, za koju se danas liju: bregaste osovine, klipnjače, delovi pogon-skog i upravljačkog sistema, kolenasta vratila, te veoma opterećeni zupčanici, šarke za vrata motornih vozila, vretena mašina alatki, delovi industrijskih armatura (ven-tili i sve što uz njih ide), kao i valjci valjaoničkih stanova (železarski valjci). Tablica 10.2 Mehaničke karakteristike nodularnog liva

min Rm, MPa min Rp, MPa min A5.65, % Tvrdoća, HB Struktura

370 230 17 140-180 feritna 400 250 12 150-200 feritna 500 320 7 170-240 feritno-perlitna 600 370 3 190-270 perlitno-feritna 700 420 2 230-300 perlitna 800 480 2 250-300 perlitno-sorbitna

Slika 10.6 Mikrostruktura feritno-perlitnog nodularnog liva

Mašinski materijali

252

Osnovni principi izrade nodularnog livenog gvoždja

Mada je ova problematika više metalurške prirode, korisno je ovde navesti os-nove produkcije nodularnog liva. Kao što je poznato, liveno gvoždje pored osnov-nih elemenata Fe, C, Si, sadrži prateće elemente Mn, P, S i tzv. legirajuće elemen-te, kao npr. Cu, Ni, Cr, V, Mo. Prisutni su i antikoagulacioni elementi koji otežava-ju kristalizaciju grafita, kao npr.: Pb, Ti, Bi, Sb i As. Najzad, svako liveno gvoždje sadrži i dvoatomne gasove O2, N2, H2, kao i nemetalne uključke. U livenom gvož-dju, koje sadrži navedene elemente (prateće, legirajuće, štetne) i gasove - drugim rečima, "prljavom livenom gvoždju"- uvek će se ugljenik izlučivati u lamelarnom obliku. Ako se "prljavo" gvoždje rafiniše (prečisti) dobiće se nodularni liv sa slo-bodnim ugljenikom u obliku manje ili više savršenih sfera (zrna, nodula). Ovo rafi-nisanje livenog gvoždja odnosi se pre svega na desumporisanje (smanjenje sadržaja S na 0.01 do 0.08%) bilo metalurškim merama ili pogodnim izborom sirovina za šaržiranje kupolne peći ili elektro peći. Dalje je neophodno sniziti sadržaj gasova (naročito kiseonika) i nemetalnih uključaka, čime se još više olakšava izdvajanje ugljenika u nodularnom (zrnastom) obliku. Kao najuspešniji se za ovu dezoksidaci-ju u praksi pokazao magnezijum, mada to u principu mogu biti kalcijum ili cer kao i drugi elementi visokog afiniteta prema kiseoniku i sumporu (skandijum, itrijum, torijum). Može se dobiti nodularni grafit i bez dezoksidatora, pod uslovom da se najčistije Fe-C-Si legure tope u vakuumu.

Uvodjenje u rastop čistog Mg pri T ≈ 1500ºC nije jednostavno, jer on naglo is-parava pa pritisak zasićenih para izaziva eksplozivno prštanje; preostali magnezi-jum isplivava na površinu i trenutno sagoreva. Postoje danas brojna tehnička reše-nja za uvodjenje bilo čistog Mg ili u vidu predlegure. I ovde se posle tretiranja ma-gnezijumom uvodi modifikator (75% Fe-Si) radi smanjenja sklonosti odlivaka ka odbeljivanju tj. formiranju cementita.

Cena nodularnih odlivaka po kilogramu mnogo je veća nego odlivaka od sivog liva. To se kompenzuje znatno boljim osobinama, pogotovu što se neke klase nodu-larnog liva mogu kaliti postupkom austempering.

Najnovija vrsta sivog livenog gvoždja je tzv. vermikularni liv u kome je grafit izdvojen u kompaktnom obliku (CGI). Dugo je predstavljalo laboratorijski kuriozi-tet, jer ga je bilo teško proizvesti, a objedinjavalo je dobre osobine sivog liva i no-dularnog liva. Grafit se u CGI gvoždju javlja u neprekidnom isprepletanom obliku, pa otuda i naziv isprepletano (Vermicular) liveno gvoždje. Komercijalna proizvod-nja CGI dugo je odlagana jer se količina legirajućih dodataka mora toliko precizno kontrolisati da je to donedavno bilo moguće samo u laboratorijskim uslovima (npr. ako sadržaj Mg odstupi 0.005% od predvidjenog rezultat će biti nezadovoljavaju-ći). Danas je problem rešen udruženim razvojnim naporima Foote Mineral Co. u British Cast Iron Research Association. Legirajući dodaci magnezijuma, titana i elemenata retkih zemalja1 uvode se u paketu prema receptu navedenih firmi.

1 U periodnom sistemu, elementi izmedju 57 La i 72 Hf su retke zemlje.

Legure za livenje

253

Delovi izradjeni od CGI dostižu jačinu na kidanje, zamornu jačinu, termičku provodnost i istegljivost nodularnog liva, a prigušivanje udara, amortizovanje vib-racija, mašinska obradljivost i livačke karakteristike dostižu ili prevazilaze sivi liv (popunjavanje kalupa i livačko skupljanje je čak bolje od SL). Kombinacija jačine i velike toplotne provodljivosti čine ovaj liv pogodnim za blokove motora, kočione doboše, izduvne grane motornih vozila, kao i za kućišta pumpi visokog pritiska.

10.1.3 Temperovano liveno gvoždje (TeL)

Pod pojmom temperovanje podrazumeva se naknadno žarenje (grafitizacija) ili razugljenisavanje odlivaka strukture belog livenog gvoždja (Fe3C). Hemijski sas-tav temper liva kao tehničke legure Fe-C-Si je podeutektički. Ugljenik se pri oč-vršćivanju odlivaka u kalupu izdvaja u vidu karbida Fe3C- cementita. Na sobnoj temperaturi struktura odlivka pre temperovanja sastoji se iz perlita, ledeburita i ce-mentita. Ovu strukturu moguće je dobiti brzim hladjenjem i ograničavanjem koli-čine grafitizacionih elemenata (C, Si i P). Pošto na livačke osobine i na vreme tem-perovanja povoljno utiče povišenje sadržaja C i Si, to se njihova količina usvaja kao kompromis izmedju ovih protivurečnih zahteva. Osim toga, sklonost ka grafiti-zaciji pri očvršćivanju može se umanjiti i malim dodacima bizmuta ili telura, što omogućuje da se belo liveno gvoždje dobije i kod odlivaka velike debljine zida (veće od 50 mm). Na vreme temperovanja povoljno utiču aluminijum i bor, jer pot-

pomažu grafitizaciju upravo pri žarenju. Crni temper liv dobija se žarenjem u neutralnoj atmos-feri (bez O2), a beli u oksidacio-noj atmosferi. Odlivci od temper liva nešto su jevtiniji od odlivaka nodularnog liva.

U poredjenju sa lamelarnim grafitom, pahuljasti ugljenik zvani temper-ugljenik, znatno manje snižava jačinu i duktilnost metalne matrice (uglavnom feri-tne, sl. 10.7).

Nekada se postupak tempe-rovanja za dobijanje crnog TeL

izvodio u čeličnim sanducima napunjenim peskom ili šljakom, a danas u gasnoj atmosferi azota (bez prisustva kiseonika). Razlaganje cementita (sl. 10.8) nastaje u dve faze; u prvoj fazi razlaže se cementit iz ledeburita (smeše austenit + cementit), pri T ≈ 1000ºC, što se naziva prvim stadijumom grafitizacije:

CFeCFe +→ 33 , (10.4)

Slika 10.7 Mikrostruktura feritnog crnog temper liva

Mašinski materijali

254

koji traje sve do uspostavljanja ravnoteže izmedju izlučenog temper-ugljenika (C), i na toj temperaturi zasićenog austenita. U drugoj fazi žarenja presićenog austenita, pri T ≈ 700ºC, koriste se dve, a katkad i tri varijante hladjenja prikazane na slici 10.8. Kriva 1 odgovara veoma sporom hladjenju oko temperature A1 (760-680ºC/3-5ºC/h), tako da se formira feritna metalna osnova, obogaćena dodatnim temper ug-ljenikom u toku drugog stadijuma grafitizacije (Fe3C iz perlita razlaže se prema relaciji 10.4).

1000

A1

Tem

pera

tura

, °C

Prva grafitizacija (Fe3C iz ledeburita → 3Fe + C)

Druga grafitizacija (Fe3C iz perlita → 3Fe + C)

Feritnaosnova (1)

Feritno-perlitnaosnova (2)

Perlitnaosnova (3)

3 - 5 °C/h od 760 - 680 °C

Vreme, h

Slika 10.8 Shema temperovanja: 1- feritna osnova, 2- feritno - perlitna osnova, 3- perlitna osnova

Pri znatno većoj brzini hladjenja (20ºC/min od 760-20ºC, kriva 3) dobija se perlitna osnova sa 0.3-0.9% ugljenika u vezanom obliku (Fe3C). U ovom slučaju slobodan ugljenik rasporedjen u metalnoj osnovi potiče samo od prvog stadijuma grafitizacije, jer u ovim uslovima hladjenja (po liniji 3, sl. 10.8) izostaje druga gra-fitizacija. Perlitni temper liv može se kaliti i otpustiti pa se često zove martenzitni temper liv. Posle kaljenja površinska tvrdoća može dostići 60 HRC.

Ako se legura pothladi brzinom oko 20ºC/min do 500ºC, i pri ovoj temperaturi izotermički žari dobiće se feritno-perlitna osnova sa dodatnim temper ugljenikom izlučenim u drugom stadijumu grafitizacije (po liniji 2, sl. 10.8). Ovaj se postupak redje koristi, tako da se uglavnom razlikuju feritni, perlitni i martenzitni temper liv (otpušteni).

Feritni temper liv (Rm = 350-370 MPa, A5.65 = 10-12%, 163 HB) upotrebljava se za delove koji rade pod velikim statičkim i dinamičkim opterećenjem (kućišta reduktora, kućišta pogonskih osovina, glavčine, kuke, beočuzi (grivne)). Manje op-terećeni delovi kao što su poklopci šahti, navrtke, cevne spojnice i zatvarači izrad-juju se od feritnog temper liva sledećih osobina: Rm = 300-360 MPa, 270 HBS i A5.65 = 2-5%. Posebno se izdvaja po dobrim antifrikcionim osobinama, zahvaljuju-ći metalnoj osnovi otpornoj na habanje i podmazujućim svojstvima temper ugljeni-ka. Ugljenik u temperovanom gvoždju pomaže zadržavanje i deponovanje maziva (masti, ulja); u porozne površine temper-gvoždja utiskuju se abrazivne čestice stvo-rene pri radu kliznih ležišta, čime se umanjuje oštećenje ležišnih površina. Zato se

Legure za livenje

255

odlivci od temper liva često koriste za jako opterećene ležišne površine kod auto-mobila, kamiona, železničkih vagona, poljoprivrednih mašina i mašina alatki. Osim toga od perlitnog temper liva prave se univerzalne spojnice, karike i valjci konve-jerskih lanaca, kočione papuče, kardanski zglobovi. Temper liv uglavnom se koristi za tankozidne odlivke, suprotno nodularnom livu koji je namenjen za delove deb-ljih zidova.

Beli temper liv dobija se temperovanjem (žarenjem) odlivaka na 1000ºC u ok-sidacionoj atmosferi u toku nekoliko desetina sati. Nekada korišćeno žarenje u san-ducima sa hematitom i kovarinom sa dodatkom peska danas je zamenjeno gasnom atmosferom koju čine vazduh i vodena para. Raspad eutektičkog cementita i razug-ljenisavanje odvijaju se prema reakcijama:

CFeCFe +→ 33 i COCOC 22 →+ . (10.5)

U toku žarenja jedan deo ugljenika iz površinskih slojeva se oksidiše, a drugi deo prelazi u grafit, tako da u jezgru ostaje više ugljenika. To dovodi do difuzije ugljenika ka periferiji. Na dubini 6-8 mm od površine nastaje potpuno razugljenisa-vanje, odnosno feritna struktura, zatim dalje po dubini feritno-perlitna i perlitna, dok u jezgru ostaje temperovani ugljenik. Iz tog razloga (zaostali temper ugljenik) se ovom načinom temperovanja ne podvrgavaju odlivci deblji od 12 mm.

Naziv beli temper liv (BTeL) potiče od srebrnaste (bele) boje preloma usled ra-zugljenisanog preseka, tj. feritne strukture. Dodatna odlika belog temper liva, pot-puno razugljenisanog, jeste dobra zavarljivost, ali rdjavija mašinska obradljivost u odnosu na crni temper liv. Stoga se beli temper liv i upotrebljava za nisko optere-ćene odlivke koji ne zahtevaju veću mašinsku obradu, kao što su npr. delovi poljo-privrednih mašina, artikli kućnog domaćinstva, cevne spojnice (pocinkovane), bra-ve za vrata, nosači za vešanje izolatora visokonaponske mreže i sl.

Hemijski sastav polaznog materijala za dobijanje odlivaka strukture crnog i be-log preloma dat je u tablici 10.3. Tablica 10.3 Hemijski sastav livenog gvoždja za temperovanje

Hemijski sastav, % Vrsta liva

C Si Mn P S Crmax

CTeL 2.3-2.6 1.5-1.2 0.4-0.5 0.05-0.10 0.12 0.05

BTeL 3.1-3.4 0.8-0.4 0.4-0.5 0.05-0.10 0.12-0.25 0.05 Zavarljiv BTeL 2.3-3.1 0.4-0.25 0.6-0.8 max 0.05 < 0.10 0.05

Iako su u tablici 10.3 dati rasponi variranja C i Si njihov zbir ne treba da predje 4.0-4.2%, iz razloga da se prilikom izrade odlivaka ne javi slobodan ugljenik. Ta-kodje se iz tab. 10.3 može uočiti da polazni materijal za beli temper liv ima veći sadržaj ugljenika, jer veliki deo tog ugljenika sagoreva pri temperovanju u oksida-

Mašinski materijali

256

cionoj sredini. Suprotno tome ugljenik se kod odlivaka temperovanih na crni pre-lom zadržava u celini.

10.2 Belo liveno gvoždje

Belo liveno gvoždje (svetao prelom) je legura Fe-C u kojoj je celokupna količi-na ugljenika vezana u obliku cementita. U industrijskoj praksi se pod pojmom belo liveno gvoždje podrazumeva odlivak koji ima po celom preseku uniformnu, bez-grafitnu strukturu. Pod pojmom odbeljivanje ili odlivak dobijen odbeljivanjem, po-drazumeva se da samo površinski slojevi imaju strukturu belog livenog gvoždja, a jezgro strukturu sivog liva. Kod tankozidnih odlivaka to se postiže velikom brzi-nom hladjenja, a kod debljih odlivaka dodavanjem legirajućih elemenata koji ote-žavaju grafitizaciju (do 2% Cr, do 5% Ni, do 1% Mo ili do 2% Mn); pri tome je % Si < 1. Po hemijskom sastavu to je podeutektičko liveno gvoždje (2.8-3.8% C), a struktura belog livenog gvoždja je perlitno-cementitna, koja sa porastom legiraju-ćih elemenata prelazi u bejnitnu ili martenzitnu.

Belo liveno gvoždje je tvrdo (550 HB), veoma otporno na habanje, a ove oso-bine zadržava i preko 400ºC, dok ugljenični čelici uz manju otpornost na habanje, na ovim temperaturama već pokazuju pad tvrdoće. Mašinska obrada belog livenog gvoždja moguća je samo pomoću alata od sinterovanih karbida, ali to nije presudno budući da se od belog livenog gvoždja uglavnom izradjuju odlivci koji ne zahteva-ju veću obradu rezanjem. To su npr. pužni prenosnici i ekstruderi mešalica i tran-sportera rasutih materijala, kugle drobilica, kočioni valjci i dr.

Veću primenu ima livenje odbeljivanjem, naročito pri izradi valjaka za železare i postolja mašina alatki. Kod železarskih valjaka potrebno je selektivno odbeljiva-nje što znači da se na radnom delu valjka dobije struktura belog livenog gvoždja, a na rukavcima struktura sivog livenog gvoždja. Zato se valjci liju u kalupima koji su na radnom delu od livenog gvoždja (kokila = metalni kalup), a na rukavcima od pe-ska (peščani kalup). Time se postiže velika brzina hladjenja radnog dela i njegovo odbeljivanje, a rukavci zadržavaju strukturu antifrikcionog materijala (slobodan grafit). Dalje se od belog livenog gvoždja izradjuju kočnice vagona, čeljusti drobi-lica, kalupi za sinterovanje, kalupi za cigle i sl.

Postolja mašina alatki (strugova, glodalica, rendisaljki) liju se u peščanim kalu-pima sa selektivno ugradjenim rashladnim elementima (npr. čeličnim pločama) smeštenim ispod tankog sloja kalupne mase i to samo na mestima koja treba otvrd-nuti. Posle odbeljivanja dobija se otvrdnuta zona na dubini 12 do 30 mm. Zbog ne-uniformne strukture po preseku i neravnomernog hladjenja pojavljuju se veliki zao-stali naponi, koji se otklanjaju popuštanjem na 550ºC.

Visokolegirana gvoždja mogu biti nodularna, siva ili bela, a sadrže 3-30% legi-rajućih elemenata. Najviše se primenjuju bela visoko legirana livena gvoždja čiji su odlivci velike tvrdoće i ekstremno otporni na habanje (abraziju). Visokohromno gvoždje (oko 16% Cr) istovremeno je otporno na habanje i oksidaciju i ima dobru žilavost. Gvoždja koja sadrže 14-24% Ni su austenitna, imaju odličnu korozionu

Legure za livenje

257

otpornost i nisu magnetična. Gvoždje sa 36% Ni poznato je po ekstremno niskom koeficijentu termičkog širenja, a takodje je koroziono otporno i nemagnetično. Ova je legura poznata kao invar.

10.3 Čelični liv (ČL)

Čelični livovi su legure gvoždja i ugljenika (do 1.5% C) od kojih se izradjuju odlivci izloženi u radu visokim dinamičkim opterećenjima. Podela čeličnih livova, kad je reč o hemijskom sastavu, analogna je podeli čelika.

U poredjenju sa livenim gvoždjem, čelični liv ima veće livačko skupljanje (za ČL 1.6-2.1%, a za sivi liv 1%), višu temperaturu livenja (1600-1700ºC) i lije se samo u suvim peščanim kalupima. Zbog manje tečljivosti i znatnog livačkog skup-ljanja, potreban je ulivni sistem većeg preseka kao i hranitelji tj. rezerve tečnog liva za popunjavanje šupljina-lunkera stvorenih usled skupljanja liva.

Niskougljenični čelični livovi i neki legirani livovi nemaju dovoljnu livkost. Sa povećanjem sadržaja ugljenika livkost postaje bolja tako da pri livenju srednje i vi-sokougljeničnog čeličnog liva nema teškoća pri ispunjavanju kalupne šupljine, niti pojave strukturnuh grešaka.

Fizičke i hemijske osobine čeličnog liva praktično se ne razlikuju od čelika is-tog sastava. Što se tiče mehaničkih osobina, a naročito svojstava plastičnosti, one su nešto niže, dok je otpornost na puzanje često viša. Relativno niska svojstva plas-tičnosti čeličnog liva posledica su dendritne strukture odlivka, neravnomerne ras-podele pojedinih sastojaka (segregacije S i P) i pojave Vidmanštetenove strukture. Optimalan odnos granice elastičnosti i jačine na kidanje dobija se pri sadržaju ug-ljenika od 0.25-0.40%, pa se zato srednjeugljenični čelični liv najviše primenjuje.

Mana čeličnog liva je veliki uticaj debljine zida odlivka (brzine očvršćavanja) na mehaničke osobine. Sa porastom debljine zida odlivka opadaju istovremeno is-tegljivost i kontrakcija poprečnog preseka (A5 i Z ili jednom rečju svojstva duktil-nosti).

Mehaničke osobine odlivaka od čeličnog liva mogu se popraviti termičkom ob-radom. Odlivci se podvrgavaju difuznom homogenizacionom žarenju pri tempera-turi 1050-1150ºC i vremenu držanja do 40 h, radi otklanjanja dendritne segregacije i Vidmanštetenove strukture. Pošto dugotrajno držanje na temperaturi žarenja do-vodi do porasta austenitnog zrna, neophodno je posle difuznog žarenja izvesti nor-malizaciju. Kao i kod čelika, temperatura zagrevanja pri normalizaciji iznosi 30-50ºC iznad tačke AC3, sa vremenom držanja dovoljnim da ceo presek postigne ovu temperaturu. Delovi složenog oblika hlade se (sa temperature normalizacije) na vazduhu samo do 650ºC, a zatim veoma sporo u peći. Na kraju je neophodno i popuštanje napona pri 500-600ºC.

Zavisno od hemijskog sastava konstrukcioni čelični liv može se pripremiti u Martenovim pećima, elektro-pećima ili konvertorima. Prema sadržaju ugljenika ne-legirani livovi dele se na: niskougljenične (0.10-0.25% C), srednjeugljenične (0.25-0.40% C) i visokougljenične (0.4-0.6% C).

Mašinski materijali

258

Niskougljenični ČL se koristi za izradu malo opterećenih odlivaka kao što su kućišta elektromotora, delovi železničkih vagona (mazalice, nosači opruga, odboj-nici), delovi putničkih vozila i delovi brodova (kljun, krma, kormilo, sidro). Manji odlivci često se podvrgavaju cementaciji.

Srednjeugljenični ČL koristi se za veoma opterećene delove kao što su točkovi elektrolokomotiva i šinobusa, pogonski točkovi dizalica, ploče temelja mašina, ku-ćišta i obloge parnih turbina, kola i obloge vodenih turbina, kućišta i ramovi kova-čkih presa i čekića.

Visokougljenični ČL nalazi primenu za delove koji su veoma jako opterećeni i izloženi habanju, kao npr. pogonski zupčanici u cementarama, valjaonicama i sl.

Sve vrste ugljeničnih čeličnih livova su u principu zavarljive, ali najlakše je za-variti, bez primene posebnih mera, niskougljenični ČL. Ostali su uslovno zavarlji-vi, što znači uz predgrevanje, tekuću termičku obradu, normalizaciju i popuštanje napona.

10.4 Konstrukcioni legirani čelični livovi

Sadrže 0.25-0.45% C što odgovara najboljem odnosu granice elastičnosti pre-ma jačini i dobrim livačkim osobinama. Prema hemijskom sastavu legirani čelični livovi se dele isto kao i čelici na: manganske, hromne, Cr-Mn-Si, Cr-Mo, Cr-Ni. Sadržaj legirajućih elemenata uglavnom iznosi 0.5-1.5%. Odlivke od legiranog če-ličnog liva treba koristiti u termički obradjenom stanju: normalizovanom ili pobolj-šanom. Sredstvo za kaljenje je voda ili ulje, a visoko otpuštanje obavlja se pri 500-650ºC. Poboljšanje u poredjenju sa normalizacijom daje znatno povećanje napona tečenja i nešto povećanu žilavost dok duktilnost ostaje praktično nepromenjena.

Manganski ČL se upotrebljava za elemente otporne na habanje kao što su kugle za mlinove, delovi transportera u keramičkoj industriji i sl.

Hromni ČL primenjuju se za jako opterećene mašinske delove koji su istovre-meno izloženi habanju (zupčanici).

Hrom-molibdenski i hrom-niklovi ČL se koriste za jako opterećene delove ve-likih preseka.

Čelični liv Cr-Ni-Mo služi za izradu odlivaka kotlovske armature koji rade pri temperaturi do 500ºC.

Niskougljenični čelični livovi Cr-Mo i Cr-Mo-V koriste se za odlivke koji rade na povišenim temperaturama do 575ºC; to su delovi kotlovske armature, transpor-tera protočnih peći; ovi su livovi otporni na puzanje. Za postizanje strukturne sta-bilnosti čelični odlivci Cr-Mo i Cr-Mo-V se normalizuju (na 950ºC), zatim sporo hlade u peći do oko 600ºC i najzad na vazduhu. Posle normalizacije izvodi se viso-ko otpuštanje na 700ºC.

Legure za livenje

259

DEFINICIJE I DOPUNE:

Livačke legure: legure koje se odlikuju dobrom livkošću, što omogućuje da se fi-nalni proizvodi - odlivci dobiju izlivanjem tečnog metala u odgovarajuće kalupe. Podela livačkih legura: livačke legure mogu biti gvozdene (liveno gvoždje, čelič-ni liv), neželezne (Al, Cu) i ostale (Mg, Zn, Pb i dr.). Liveno gvoždje: legura Fe-C koja sadrži više od 2% C, povećan sadržaj Si i prate-će elemente Mn, P, S: metalna osnova može biti: perlitna, perlitno-feritna i feritna. Sivi liv: Legura gvoždje-ugljenik sa sadržajem 2.1 do 4% C i 1.5 –3.0% Si kao gra-fitizirajućeg elementa. Veći deo ugljenika je u obliku grafitnih lamela, tako da je sivi liv dobro mašinski obradljiv ali ima malu duktilnost. Nodularni liv: liveno gvoždje u kome se grafit izlučuje u vidu loptica zahvaljujući rafinaciji rastopa (desumporizaciji i dezoksidaciji sa Mg). Temper liv: liveno gvoždje dobijeno naknadnim žarenjem odlivaka strukture be-log livenog gvoždja. Belo liveno gvoždje: legura gvoždja i ugljenika u kojoj je celokupna količina ug-ljenika vezana u cementit. Čelični liv: čelik namenjen za izlivanje u peščanim kalupima radi izrade delova namenjenih za visoka dinamička opterećenja.

PITANJA:

1. Glavne karakteristike i vrste livačkih legura. 2. Podela livenih gvoždja i oblici grafita u sivom livenom gvoždju. 3. Modifikatori i njihova uloga u sivom livu. 4. Upotreba običnog i mašinskog sivog liva. 5. Način dobijanja i primena nodularnog liva. 6. Produkcija i primena crnog i belog temper liva. 7. Osobine i upotreba belog livenog gvoždja. 8. Ugljenični i legirani čelični livovi.

Mašinski materijali

260