Bílá litina – vhodný materiál pro drtiče kameniva

V minulém čísle časopisu Lomy a Těžba jsem slíbil, že bychom mohli pokračovat v materiálech náhradních dílů pro drtiče kameniva, které jsou vyrobeny z bílé litiny.

U bílé litiny, stejně jako u ostatních slévárenských slitin platí, že jejich vlastnosti značnou měrou souvisí se strukturou, která je ovlivněna jejich chemickým složením. Pro snazší orientaci v široké škále bílých litin můžeme dělit tyto litiny do několika kategorií dle chemického složení, a s ním souvisejícími specifickými vlastnostmi.

Rozdělení litin

Nelegované

Za nelegované bílé litiny považujeme ty, které mimo samotné železo obsahují pouze základní prvky: uhlík, křemík a mangan. Ostatní prvky se v nich vyskytují pouze ve stopovém množství, a jejich vyšší obsah je považován za nežádoucí. Struktura těchto litin bývá většinou tvořena perlitem a karbidy.

Nízkolegované

Přidáním již malého množství legujících prvků lze dosáhnout podstatného zlepšení některých vlastností litiny, např. tvrdosti či odolnosti proti opotřebení. Litiny s přísadou do několika procent legujících prvků nazýváme nízkolegovanými bílými litinami. U nízkolegovaných bílých litin se lze nejčastěji setkat s perlitickou strukturou, nebo s bainitem či martenzitem po tepelném zpracování, a karbidy.

Chromové

Bílé litiny s vysokými obsahy chromu nazýváme chromové. V praxi nacházejí však uplatnění litiny s obsahem chromu až do 40%. V chromových litinách se vyskytují mimo karbidy typu M3C (např. Fe3C) i stabilní karbidy vyššího řádu typu M7C3. Od určitého obsahu chromu a uhlíku je jimi cementit zcela nahrazen a mohou se vyskytovat i další typy karbidů. Díky těmto speciálním karbidům se chromové litiny vyznačují pro ně typickou velmi vysokou tvrdostí a
odolností proti opotřebení.

Chrom-nikl-molybdenové

Pro další zlepšení některých vlastností, zejména pak tvrdosti a odolnosti proti opotřebení se někdy chromové litiny navíc legují ještě dalšími prvky. Jedná se většinou o přísady v řádech jednotek procent. Nejčastěji jde o přísadu niklu a molybdenu. Tyto litiny nazýváme Chrom-nikl-molybdenové. Díky niklu mají lepší mechanické vlastnosti, a to i za vyšších teplot. Díky molybdenu mají vyšší tvrdost po tepelném zpracování a s ní do jisté míry související i lepší
odolnost proti opotřebení.

Nikl-chromové

Bílé litiny s vysokým obsahem chromu i niklu označujeme jako nikl-chromové. Běžně jsou však známy pod obchodním názvem Ni-Hard, v literatuře bývají také označovány jako Martenzitické. Specifickou vlastností těchto litin je jejich samokalitelnost, zapříčiněná vysokým obsahem niklu. Samokalitelností rozumíme schopnost získat martenzitickou strukturu již v litém stavu. Litiny typu Ni-Hard členíme do několika skupin v závislosti na chemickém složení. Výroba těchto litin je oproti ostatním jednodušší a v mnohých případech mají příznivější poměr mezi cenou a odolností proti opotřebení.

Vlastnosti bílých litin

Jelikož bílé litiny nacházejí uplatnění hned v několika typech aplikací a v různých prostředích, je žádoucí přizpůsobovat jejich vlastnosti pokud možno na míru požadavkům dané situace. Vždy je přitom třeba brát na zřetel, aby cena odlitku odpovídala nárokům na jeho vlastnosti, a zejména tyto vlastnosti dostatečnou měrou splňovala. Vlastnosti litin jsou dány zejména jejich strukturou, která vyplývá z jejich chemického složení, tepelného zpracování a způsobu ochlazování. U nejdůležitějších bílých litin s vysokým obsahem chromu jsou pak klíčovými faktory ovlivňujícími jejich vlastnosti: typ, morfologie, velikost a množství karbidů. Od těchto litin jsou pak požadovány zejména tyto vlastnosti: Vysoká odolnost proti opotřebení a vysoká tvrdost, při co nejmenším poklesu houževnatosti, chemická odolnost a případně také žáruvzdornost.

Odolnost proti opotřebení

Bílé litiny ve svých aplikacích však nejčastěji čelí tření vyvolanému pohybem tekutiny (suspenze), obsahující jemné pevné částice, po kovu (erose), nebo tření vyvolanému pohybem kovu na kovu, mezi nimiž se nachází pevné částice (písek, hlušina v těžebním průmyslu).

Bílé litiny s vysokým obsahem chromu mají široké uplatnění pro svou odolnost proti opotřebení v neobrobeném stavu. V některých případech je ovšem jejich obrobení nutné. Příkladem takového případu mohou být spojovací plochy těla čerpadla s jeho koncovými vložkami, anebo čelní plochy válcových segmentů v drtících zařízeních. V těchto případech je požadováno, aby spojovací plochy těchto odlitků dobře seděly, a toho není možné docílit bez obrábění.

Bílé litiny s vysokým obsahem chromu se velmi obtížně obrábí, vlivem přítomnosti eutektických karbidů ve struktuře a její vysoké tvrdosti. Jiným způsobem, než broušením jsou prakticky neobrobitelné. Ke snížení jejich tvrdosti se používá žíhání na měkko. Žíháním na měkko můžeme snížit tvrdost těchto litin až pod 380 cca HB. Snížení jejich tvrdosti pod 380 HB umožňuje použití konvenčního obrábění namísto broušení, nebo nástrojů z kubického nitridu bóru. Protože ovšem většinou od součástí z tohoto materiálu požadujeme vysokou tvrdost (a s ní do určité míry související odolnost proti opotřebení) za provozu, po obrobení následuje ohřev na teploty do oblasti austenitu (900 až 1050°), kalení a popouštění. U bílé litiny s vysokým obsahem chromu a obsahem molybdenu přesahujícím 2 až 3%, nelze ani žíháním na měkko dosáhnout tvrdosti nižší jak cca 430 HB. Při těchto tvrdostech zůstává použití obráběcích nástrojů z kubického nitridu bóru jedinou alternativou k broušení.

Vysokolegované litiny zpravidla nedosahují mechanických vlastností (pevnost, mez kluzu), jako nízkolegované a nelegované litiny. Bílá litina je téměř nesvařitelnou. Problémy spojené s jejím svařováním vyplývají z její tvrdosti a křehkosti, protože v ní vznikají trhliny už při svařování, a pak i při chladnutí.

Použití bílých litin

Vysokolegované bílé litiny se pro svou vysokou odolnost proti abrazivnímu opotřebení o užívají ve velmi těžkých provozních podmínkách suchého tření nebo abrazivního opotřebení, způsobeného minerály (horninami), písky, kamením nebo jinými pevnými látkami. Vzhledem k těmto vlastnostem nacházejí uplatnění v hornictví v drtičích pro drcení rudy nebo uhlí, jako drtící válce. Tyto litiny se dále používají v kulových mlýnech, jako mlecí koule o průměrech 15 až 300 mm, a na vnitřní obložení těchto mlýnů. Průměr těchto mlýnů běžně přesahuje až 6 m. V neposlední řadě se také používají v zařízeních pro přemisťování zeminy, kamení, uhlí, rudy a jiných abrazivních materiálů. V tomto směru se tedy jedná o klíčový materiál pro aplikace v těžebním průmyslu a na něj navazujících odvětvích zpracování rudy, cementárnách, ocelárnách atd.

Pro svou chemickou odolnost jsou také využívány pro výrobu těles, oběžných kol a jiných částí čerpadel, určených k dopravě silně znečištěných kapalin s velkým podílem abrazivního materiálu (suspenzí – heterogenních směsí jemně rozptýlených pevných látek v kapalinách, kalů, břeček). Tyto čerpadla se používají v chemickém průmyslu, ve vodohospodářství (zpracovávání odpadních vod) a v těžebním průmyslu (např. těžba živic z dehtových písků).

Výše uvedenými kusými informacemi o bílých litinách jsem chtěl kolegům jen přiblížit problematiku jejich výroby a použití.

Přeji všem krásné, poklidné a pohodové Vánoce a mnoho zdraví a štěstí v roce 2018!

Ing. Petr Křístek

Kontakty
Náhradní díly pro lomařské technologie
Marian Košinár, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript. , +420 773 794 713
Náhradní díly pro důlní technologie
Alois Nedojedlý, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript. , +420 777 770 568

Zdroje:
Bakalářské práce na VUT
autor David Klemsa, Brno 2016