Objemové změny při tuhnutí

TEORIE SLÉVÁNÍ
Přednáška č. 8: Objemové změny kovu při tuhnutí.
Tvorba staženiny, tepelné uzly a jejich zneškodňování.
Usměrněné tuhnutí. Zásady nálitkování.
Autoři přednášky: prof. Ing. Iva NOVÁ, CSc.
Ing. Jiří MACHUTA, Ph.D.
Pracoviště: TUL – FS, Katedra strojírenské technologie

TSL
Přednáška č. 8
Objemové a lineární změny
při tuhnutí odlitků
Při tuhnutí a chladnutí odlitků probíhají různé jevy, především fyzikální,
které přispívají ke změnám rozměrů a objemu odlitku. Mezi tyto jevy se řadí
fyzikálně označované smršťování, které mění výsledné rozměry odlitku a
vyvolává podmínky k tvorbě vnitřních dutin odlitku.
Smršťování je obrazem objemových změn tekuté a tuhé fáze odlévaného
kovu (slitiny kovů) s klesající teplotou i objemovými změnami při fázových
přeměnách. Projevem jsou charakteristické změny v odlitku, při němž se
jeho celkové rozměry zmenší popř. se vytváří staženina a dochází k
vnitřnímu pnutí.
Při tuhnutí odlitku - dochází ke změnám objemu, jedná se o objemové
smrštění, které ve slévárenství označujeme jako stahování a vytvářejí se v
odlitku soustředěné, popř. rozptýlené staženiny, řediny a mikropórovitost.
Při chladnutí odlitku - dochází k délkovým změnám rozměrů odlitku, což se
označuje jako lineární smršťování.
• lineární smršťování je příčinou, proč musí být model, resp. dutina
slévárenské formy větší o tzv. míru lineárního smrštění.

Objemové změny při tuhnutí odlitků
TSL
Přednáška č. 8
Celý proces tuhnutí a chladnutí odlitku lze rozdělit do tří
etap:
• V(L) - smršťování v tekutém stavu (T lití - T S );
• V(K) - smršťování při krystalizaci (v intervalu teplot tuhnutí),
(T L - T S );
• V(S) - smršťování v tuhém (pevném) stavu (T L - T ok ).

Objemové změny litiny
TSL
Přednáška č. 8
Z reálných slitin jsou důležité objemové změny litiny a objemové
změny ocele.
Grafitické litiny, především LLG, vykazují malou změnu objemu v
tekutém stavu i při tuhnutí. To je způsobeno vlivem grafitizace, která
se projevuje zvětšením objemu. Grafitizace probíhá při eutektické
přeměně a říkáme, že nastalo tzv. předsmršťovací roztažení.

Objemové smršťování v průběhu výroby
odlitků
• pokles hladiny kovu,
• tvorba soustředěné staženiny,
• změna lineárních rozměrů
TSL
Přednáška č. 8

Objemové změny v tekutém stavu
1. Smršťování v tekutém stavu - bezprostředně po odlití taveniny
do slévárenské formy dochází k odvodu tepla přehřátí kovu do formy.
Současně však vzniká smrštění taveniny, které končí až jejím
tuhnutím. Objemové smrštění v tekutém stavu lze stanovit:
V
L V
L T
lití
TS
TSL
Přednáška č. 8
V(L) - součinitel objemového smrštění v tekutém stavu; T lití - teplotu
lití; T S - teplotu solidu.
Objemové směny v tekutém stavu souvisí
s poklesem hladiny taveniny

Objemové změny při tuhnutí
Smršťování při tuhnutí (krystalizaci) (stahování) - nastává mezi
teplotou likvidu a solidu. S poklesem teploty přibývá tuhá fáze na
úkor taveniny. Objemové smrštění při krystalizaci lze stanovit:
V
K
V
K
T S
Tlití
V(K) - součinitel objemového smrštění v intervalu teplot; T L - teplotu
likvidu.
Stahování je zmenšování objemu při krystalizaci, dochází ke smršťování
ještě kapalné fáze a ke smršťování již ztuhlé fáze. Projevem je vznik
staženiny. Její objem stanovíme:
V
st
V
O
V
N
- součinitel stahování; V O - objem odlitku; V N - objem nálitku.
TSL
Přednáška č. 8

Objemové změny při chladnutí odlitku
Smršťování v tuhém stavu - projevuje se hlavně lineárním (délkovým)
smrštěním lin - dochází ke zmenšení lineárních rozměrů odlitku:
lin
l
1
l
l
1
2
100
l 1 - rozměr odlitku při teplotě solidu;
l 2 - rozměr ochlazovaného odlitku.
Objemové smrštění lze stanovit:
V
S
3
lim
Objemové smrštění v pevném stavu nemá prakticky vliv na velikost
staženiny.
V
S V S T L
T 0
TSL
Přednáška č. 8
V(S) - součinitel objemového smrštění v tuhém stavu; T 0 - teplotu okolí

Výsledné objemové smrštění odlitků
TSL
Přednáška č. 8
Celkové objemové smrštění V(CELKOVÉ) odpovídá smrštění součtu
jednotlivých etap:
V
C
V L V K
V S
V L
V
V
0
0
100
V L - objem odlévaného kovu při teplotě lití; V O - objem ztuhlého odlitku při teplotě T O .

Tvorba soustředěné staženiny
Výsledkem objemových změn při tuhnutí kovu je staženina, která
se projevuje nerovnoměrným poklesem hladiny.
• čím jsou částice kovu bližší tepelné ose odlitku, tím hlouběji klesne
hladina při tuhnutí;
• pokles hladiny;
• tvorba staženiny při tuhnutí – nálitkování;
• lineární smrštění při chladnutí – model větší o míru smrštění.
TSL
Přednáška č. 8

Tvorba soustředěné staženiny
TSL
Přednáška č. 8
Celková změna objemu kovu při tuhnutí (Vst) se projeví objemem
soustředěné staženiny (Vsst) a součtem objemů mikrostaženin
(Vmst);
• čím větší bude soustředěná staženina, pak menší podíl objemu
připadne na řediny, resp. mikrostaženiny v odlitku a opačně.
Výskyt mikrostaženin je závislý na šíři dvoufázového pásma
tuhnutí, proto slitiny s velkým intervalem teplot tuhnutí vykazují velké
množství mikrostaženin.
• naopak slitiny, které tuhnou při jedné teplotě vykazují soustředěnou
staženinu. Soustředěné staženiny mohou být vnější vnitřní.

Nálitkování odlitků
TSL
Přednáška č. 8
Ve slévárenské praxi - je neustálá tendence:
• eliminovat objemové smršťování odlitku a zabránit tak vzniku
staženin a mikrostaženin v odlitku;
• resp. zařídit objemové smrštění tuhnoucí taveniny mimo odlitek;
• tento způsob nám umožňuje nálitkování odlitků.
Nálitek - představuje technologický prvek ve slévárenské formě
(v podstatě zásobník), kde se soustřeďuje tavenina, která
zabezpečuje dosazování tekutého kovu do tuhnoucího odlitku a
očekávaná staženina se přesune mimo ztuhlý odlitek, tj. do nálitku,
který tuhne až po ztuhnutí odlitku.
Kromě vzniku soustředěné staženiny dojde i k oslabení vzniku
rozptýlených pórů odlitku, které se soustředí též v nálitku spolu s
dalšími nečistotami, jež vyplouvají z tekutého kovu během tuhnutí
odlitku.

Nálitkování odlitků
TSL
Přednáška č. 8
Druhy nálitků
• vůči atmosféře - otevřené: podtlakové, atmosférické, přetlakové;
- uzavřené;
• podle umístění vůči vtokové soustavě - přilehlé;
- odlehlé.

Nálitkování odlitků
TSL
Přednáška č. 8
Správnou funkci nálitku lze hodnotit:
• kritériem zralosti odlitku - udává správnou funkci nálitku a je závislé na výšce
nálitku (HN) a hloubce makrostaženiny v nálitku (Hsst).
• toto kritérium při správné funkci nálitku má být Hsst/HN0,8; je-li Hsst/HN>1,
pak makrostaženina zasáhne do odlitku.
• pokud kritérium zralosti je 0,95; pak nálitek funguje na hranici použitelnosti;
• součinitelem nehospodárnosti nálitku (x) - je odvozen z poměrů objemů
staženiny a nálitku VN/Vst = x. V případě ideálně fungujícího nálitku Vst =
VN, pak x = 1.
Dutiny nálitků lze vyrobit:
• ze stejného formovacího materiálu jako dutinu formy (nálitky neošetřené), x
= 5,5 až 12;
• z izolačního obkladového materiálu x = 4 až 5,5;
• z exotermického obkladového materiálu x = 4.

Nálitkování odlitků
TSL
Přednáška č. 8
Principy navrhování nálitků
1) Metoda vepsaných koulí (nejstarší) - průřezy v soustavě odlitek -
nálitek se musí směrem vzhůru stále rozšiřovat; vyšším průřezem musí
alespoň projít koule vepsaná do průřezu ležícího níže.

Nálitkování odlitků
TSL
Přednáška č. 8
2) Metoda CAINEHO - je založena na době tuhnutí nálitku a odlitku. doba
tuhnutí odlitku musí být menší než doba tuhnutí nálitku. Tato podmínka je však
splněna, když je větší modul nálitku než modul odlitku.
t tuh N > t tuh O , t tuh = M 2 /k 2 , (M N2 /k N2 ) >(M O2 /k O2 ),
kde značí: M - modul; k - konstantu tuhnutí.
Index O značí vztah k odlitku, N vztah k nálitku.
U neošetřených nálitků, kde formujeme do běžné formovací směsí je k N = k O ,
pak M N = M O . (tuto podmínku respektuje pravidlo vepsaných koulí).
Izolační obklad nálitků - změní-li se konstanta tuhnutí k N , např. použitím
izolačního obkladu nálitku, exotermického obkladu nálitku, pak M N < M O , a
neplatí již zásada vepsaných koulí.
Pracujeme však s podstatně menším objemem nálitku, neustále však platí
podmínka t N > t O .

Nálitkování odlitků
TSL
Přednáška č. 8
3) Metoda podle PŘIBYLA
• existuje celá řada výpočtů velikosti nálitků, velmi výhodná je metoda
českého slévárenského odborníka prof. PŘIBYLA (působil na VŠB
Ostrava);
Vychází z těchto předpokladů:
Vst = .(V O +V N ), V N /V st = x (stupeň nehospodárnosti nálitku), pak lze
psát:
V N = V O .[(x.)/(1-x.)] ze stanoveného objemu nálitku lze určit
nálitku:
d
A.
3
( m
TAV
O
. x.
)
(1 x.
)

Nálitkování odlitků
TSL
Přednáška č. 8
kde značí:
- smrštění taveniny při změně teplot, od teploty lití do teploty tuhnutí;
m O - hmotnost odlitku;
TAV - hustota taveniny při teplotě solidu;
x - součinitel nehospodárnosti nálitku;
A - součinitel závislý na poměru výšky nálitku/průměru nálitku (h/d)
h = 1,1d A = 1,11
h = 1,2d A = 1,07
h = 1,3d A = 1,04
d
A.
3
( m
TAV
O
. x.
)
(1 x.
)

Nálitkování odlitků
TSL
Přednáška č. 8
Druhy používaných nálitků
• účelem každého nálitku je dodat tuhnoucímu odlitku tolik taveniny,
aby se staženina vytvářela mimo odlitek;
• tuto zásadu může dodržet respektování pravidla vepsané koule. Je
nutné, aby koule kořene nálitku měla min. o 10 až 20 % větší průměr
než nálitkovaný tepelný uzel:
(1,1 až 1,2). d UZLU = d KOŘ. NÁLITKU .
Velký význam vedle atmosférických otevřených nálitků mají
uzavřené nálitky:
• podtlakové;
• atmosférické;
• vysokotlaké

Nálitkování odlitků
TSL
Přednáška č. 8
Podtlakový nálitek - na hladinu taveniny, která je dopravována
do odlitku nepůsobí atmosférický tlak, doplňující tlak taveniny je nižší
než atmosférický a je tvořen pouze tlakem metalostatickým; stává se
v těch případech, kdy hladina kovu v nálitku ztuhne. Tak se vytváří v
nálitku podtlak a tavenina je tlačena do odlitku. Tyto nálitky jsou málo
účinné, je zde velké nebezpečí staženin. Tento typ nálitků by se
neměl používat.

Nálitkování odlitků
TSL
Přednáška č. 8
Atmosférický nálitek - na hladinu kovu působí atmosférický tlak, který tlačí
taveninu do odlitku. Celkově však na dopravě taveniny do odlitku působí jak
atmosférický tlak, tak i tlak metalostatický. Protože jde o uzavřený nálitek, pak
prostor nálitku s atmosférou je propojen tzv. Wiliamsovým jadérkem.
Princip spočívá v tom, že po odlití tavenina vyplní dutinu nálitku a v důsledku
odvodu tepla vznikne po obvodu nálitku tenká skořápka ztuhlého kovu. Pouze
jadérko se po odlití prohřeje a nedovolí natuhnutí taveniny v jeho blízkosti.
Tím vzniká možnost vnikání atmosféry prostřednictvím jadérka do prostoru
nálitku a na hladinu taveniny tak působí atmosférický tlak. Ten způsobuje
vedle metalostatického tlaku dosazování taveniny do odlitku.

Nálitkování odlitků
TSL
Přednáška č. 8
Vysokotlaký nálitek - je uzavřený nálitek bez Williamsova jadérka, do něhož
se umisťuje ještě před odlitím pouzdro zhotovené z keramického materiálu
nebo tenkého plechu naplněné plynotvornou směsí. Tato směs vzniká např.
rozkladem vápence, který je vlivem lití ohřátý na rozkladnou teplotu a vzniká
rozklad: CaCO3CaO+CO2. Plyny vyvozují velký tlak cca 0,3 MPa a ten
působí na hladinu taveniny v nálitku. Velikost tlaku je špatně regulovatelná a
proto se nejvíce používá atmosférických nálitků. Tyto nálitky se již
nepoužívají.

Nálitkování odlitků
TSL
Přednáška č. 8
Podnálitkové vložky – se používají pro snadnější odstranění nálitků z
odlitků. Jsou to keramické (šamotové) nebo z formovací směsi vyrobené
destičky různých tvarů, nejčastěji kruhové, s centrálním otvorem, které
se vkládají mezi dutinu formy a dutinu nálitku. Vložky bývají cca 5 až 10 mm
tlusté. Vložka musí být umístěna tak, aby středem jejího otvoru procházela
tepelná osa jak odlitku, tak i nálitku. Soulad tepelných os je nutný pro
dokonalé dosazování tekutého kovu do tuhnoucího odlitku.

Objemové změny při tuhnutí odlitků
TSL
Přednáška č. 8
Literatura:
[1] NOVÁ, I.: Teorie slévání. [Skripta], FS-TU v Liberci 2006;
[2] MICHNA, Š., NOVÁ, I.: Technologie zpracování kovových materiálů.
1. vyd. Adin Prešov, 2008.
[3] VETIŠKA, A.: Teoretické základy slévárenské technologie. 1. vyd.
Praha 1974.