Tvárna liatina

Tvárna liatina je zliatina železa s uhlíkom, podobne ako šedá liatina a oceľ. Obsah uhlíka je vyšší než 2,06 % – pozri binárny diagram železo-uhlík. Uhlík (C) je tu vylučovaný vo forme grafitu. Podľa geometrie vylúčeného grafitu rozlišujeme "šedú liatinu (GG)" kde je grafit vylúčený v podobe lamiel, "vermiculárnu liatinu (GGV)" kde sú lamely na koncoch zaoblené a "tvárnu liatinu (GGG)" kde je grafit vylúčený vo forme guličiek.
Forma grafitu u tvárnej liatiny je ovplyvnená modifikáciou taveniny horčíkom. Chemické zloženie tvárnej liatiny leží v nasledujúcich rozsahoch:
uhlík (C) – 3,4 až 3.8%, kremík (Si) 2,0 až 3,0%, mangán (Mn) 0.10 až 0,60%, síra (S) 0,003 až 0,015%, chróm (Cr) maximálne 0,10%, fosfor (P) maximálne 0,05%, meď (Cu) u perlitických GGG do 1%.
Kovová základná hmota je v závislosti na chemickom zložení feritická až perlitická. Základnú kovovú hmotu je možné, podobne ako pri oceli, tepelne spracúvať (kalenie, žíhanie, zušľachťovanie a pod.) a je možné tak ovplyvniť základné mechanické vlastnosti tvárnej liatiny.
Dejiny.
Prvé správy o použití tvárnej liatiny sú z vykopávok v Číne. Tu bola tvárna liatina používaná na výrobu poľnohospodárskeho náradia už pred viac ako 2000 rokmi.
V modernej histórii vyrobil prvú tvárnu liatinu Dr. Adey v roku 1937 (náhodný objav) v Zlievárenskom Inštitúte na Technickej univerzite v Aachene tavením vo vysoko zásaditej nádobe. V rovnakej dobe pracovala aj skupina metalurgov pod vedením Dr. Morrogh na BCIRA v Anglicku na tomto probléme a modifikovali taveninu cérom.
Až náhodné objavenie možnosti modifikácie horčíkom v predzliatine s niklom (NiMg) v laboratóriách INCO v USA v roku 1942 Keithom Millisom umožnilo ekonomickú priemyselnú výrobu tvárnej liatiny. S využitím tejto technológie v priemyselnom meradle sa začalo až v roku 1948 vo Ford Motor Co (USA), kde boli vyrábané prvé zalomené hriadele pre automobilové motory. Rozšírenie výroby a použitie bolo brzdené vysokými licenčnými poplatkami (INCO). Až vývoj predzliatin na báze ferosilícium-horčík (FeSiMg) v Nemecku v polovici 50. rokov umožnil konkurencieschopnú výrobu tvárnej liatiny.
Popri modifikácii pomocou predzliatin boli vyvinuté aj modifikačné technológie s použitím kovového horčíka. To sú napríklad modifikácie v tlakovej panve (autokláv), Fischerov konvertor atď. Odhaduje sa, že 40 – 50 % svetovej produkcie je v súčasnosti modifikovaných kovovým horčíkom. V roku 2003 dosiahla tonáž svetovej výroby tvárnej liatiny 15 miliónov ton. Z toho na výrobu tlakových rúr 4 milióny ton.
Výrobná technológia.
Odliatky z tvárnej liatiny sú vyrábané v zlievárňach. Východiskovým materiálom je oceľový šrot, surové železo, ferosilícium a prísady ako vápenec, koks, kremenný piesok ap. Tieto východiskové suroviny sú vsádzkované buď do elektrických pecí (indukčné pece, oblúkové pece) alebo do kuplovní a tuto roztavené a metalurgicky spracované. Chemické zloženie taveniny je upravované počas tavebného procesu prísadami ferosilícia, feromangánu, nauhličovadiel ap. Odpichová teplota taveniny leží medzi 1 480 °C a 1 540 °C.
So vsádzkovým materiálom sa môžu do taveniny dostať aj škodlivé prvky, ktoré sťažujú alebo dokonca znemožňujú vznik guličkového grafitu. Typické rušivé prvky sú olovo, arzén, antimón, chróm, síra, fosfor, titán atď. Obsah týchto prvkov vo vsádzkových surovinách je preto treba starostlivo kontrolovať. V prípade, že je obsah síry vo východiskovej tavenine (tavenina pred modifikovaním) pre zvolený druh modifikácie príliš vysoký musí byť tavenina odsírená Obsah síry pri použití modifikácie predzliatinami nemá byť vyšší ako 0,025%.
Po starostlivom odstránení trosky z povrchu taveniny je táto prevedená do modifikačnej panvy. Tu je tavenina modifikovaná buď predzliatinou (FeSiMg) alebo kovovým horčíkom. Horčík je vysoko reaktívny kov, s vysokou afinitou ku kyslíku a síre, tlak jeho pár pri obvyklých modifikačných teplotách dosahuje cca 10 barov. Táto reakcia je sprevádzaná tzv. pyrotechnickými efektmi, t. j. svetelnými bleskami a uvoľnením dymu. Obsah horčíka v odliatkoch leží medzi 0,030 – 0,060%. Modifikovaná tavenina je potom odlievaná do zlievárenských (pieskových) foriem. Vlastnosti taveniny sú pred alebo počas liatia optimalizované očkovaním. Očkovanie ovplyvňuje kvalitu a množstvo kryštalizačných zárodkov v tavenine a priaznivo pôsobí na vznik guličkového grafitu.
Vlastnosti tvárnej liatiny.
Mechanické vlastnosti sú definované v príslušných materiálových normách. V európskych krajinách sa najviac rozšírilo používanie DIN 1693 normy. V roku 1997 bola táto nahradená európskou normou DIN EN 1563. Označenie GGG, ktoré pochádza z DIN 1693, je v praxi ešte stále najpoužívanejšie.
Toto je iba výťah z príslušnej normy. Šedá liatina (GG), vermikulárna liatina (GGV) a bainitická tvárna liatina (ADI) sú spracované vo zvláštnych normách.
Oblasti použitia tvárnej liatiny.
Mimoriadne dobré mechanické vlastnosti, ekonomicky výhodná výroba a dobrá opracovateľnosť sú dôvody veľkého rozšírenia použitia tvárnej liatiny v priemysle. Svetová produkcia tvárnej liatiny dosiahla v roku 2003 15 miliónov ton (na porovnanie: šedá liatina 37 mil. t, oceľoliatina 6,3 mil. t a temperovaná liatina 0,9 mil. t). Na výrobu tlakových rúr v priemeroch 40 až je spotrebované 30 %. GGG rúry sa používajú na vodné a plynové potrubie. Na použitie na podzemné vedenia je nutné ich chrániť proti korózii.
Približne 40 – 50 % svetovej výroby je spotrebované v automobilovom priemysle. Tu boli v posledných desaťročiach postupne nahradzované výrobne drahšie kované, lisované a zvárané časti ekonomicky výhodnejšími odliatkami. V súčasných automobiloch sú takmer všetky takzvané bezpečnostné súčiastky ako závesy kolies, súčasti riadenia a tiež motorové časti ako kľukové hriadele, ojnice, vačkové hriadele atď. vyrábané z tvárnej liatiny.
Podobne aj ťažké, hrubostenné odliatky, ktoré v minulosti boli absolútnou doménou oceľoliatiny, ako turbínové skrine a pod. o hmotnosti 300 a viac ton sú vyrábané z GGG. Ďalej je GGG používaná v strojárskom priemysle, vo výrobe poľnohospodárskych strojov a pod.