Naziv predmeta: MATERIJALI I NJIHOVO

PONAANJE PRI ZAVARIVANJU

Broj dok.: 2.20. Datum:oktobar, 2004.

Autor:

Livena gvoa i elici Revizija: 0

PROGRAM

Uvod, Pregled livenih elika, Pregled livenih gvoa, Primenljivi postupci zavarivanja i njihova tehnologija, Zavarljivost, Dodatni materijali, Primena i posebni problemi, Standardi.

Naziv dokumenta:

Livena gvoa i elici Broj dok.: 2.20.

Strana 1 od 8

Livena gvoa su legure eleza sa vie od 2,0% ugljenika. Livena gvoa imaju nisku plastinost i relativno malu otpornost prema udaru. Koriste se zbog dobrih svojstava livenja, irokog opsega vrstoe i tvrdoe, u veini sluajeva dobre obradivosti rezanjem, i niske cene. Ako je potrebno popraviti neka svojstva, npr. otpornost prema habanju i koroziji, livena gvoa se dodatno legiraju. Prednosti livenih gvoa u odnosu na elike su bolja svojstva livenja, nia temperatura topljenja za 300-400C i nia cena.

Struktura livenog gvoa prvenstveno zavisi od hemijskog sastava i brzine hlaenja odlivaka. U praksi se koriste livena gvoa koja sadre 2,0-4,0% C, 1-3% Si, Mn, P i S. Sadraj Si je veoma

znaajan za osobine ovih legura, pa se zbog toga esto klasifikuju kao trojne legure Fe-C-Si. Livena gvoa se dobijaju pretapanjem sivog livnikog gvoa (uz dodatak starog gvoa) u kupolnim

peima, plamenim peima i elektrinim peima. Prema nainu sastavu i strukturi livena gvoa se dela na:

1) Sivo liveno gvoe (sivi liv) - ugljenik u obliku lamelarnog grafita. 2) Belo liveno gvoe (beli-tvrdi liv) - ugljenik vezan u obliku cementita. 3) Nodularno liveno gvoe (nodularni liv) - ugljenik u obliku kuglastog grafita (nodule). 4) Temperovani liv (temper liv) - ugljenik u obliku temper-grafita. 5) Vermikularno liveno gvoe, kod koga je grafit izdvojen u vermikularnom (crvastom) obliku. 6) Legirano liveno gvoe (legirani liv).

Hemijski sastav sivog, temper i nodularnog liva prikazan je u tab. 1. Tabela 1. Hemijski sastav livenih gvoa

C Si Mn S P sivi liv 2,5-4,0 1,0-3,0 0,25-1,1 0,025-0,25 0,05-1

temper liv 2,0-2,6 1,1-1,6 0,20-1,0 0,04-0,10 0,18 max nodularni liv 3,0-4,0 1,8-2,8 0,10-1,0 0,03 max 0,10 max

Uticaj hemijskog sastava i brzine hlaenja na strukturu livova Kod navedenih livova uticaj hemijskog sastava moe da se prati prema uticaju na proces izdvajanja

ugljenika. Elementi se dele na one koje pomau izdvajanje grafita (C, Si, Ni, Cu i Al), i one koji pomau izdvajanje cementita (Mn, S, Cr i W). Povean sadraj C i Si, kao najuticajnijih elemenata, deluje isto kao i poveanje preseka odlivaka da bi se dobila ista mikrostruktura. Odlivci veeg preseka hlade se sporije, to pomoe izdvajanje grafita.

Sumpor se smatra tetnom primesom jer sniava teljivost gvoa i pospeuje stvaranje pora, a pri veem sadraju sumpora stvara se sulfidni eutektikum po granicama metalnih zrna, koji nepovoljno utie na mehanike osobine. Ukoliko je prisutan mangan stvaraju se ukljuci MnS koji su manje tetni.

Fosfor poveava livkost, pa je posebno bitan za proizvodnju tankozidih odlivaka. Meutim, pri veim sadrajima fosfora stvara se fosfidni eutektik po granicama metalnih zrna, to nepovoljno utie na osobine gvoa. Ukoliko se fosfor javlja u obliku Fe3P i ako se pravilno raspredi u metalnoj osnovi poveava se otpornosti prema habanju.

Na sl. 1 ematski je prikazan stabilni dijagram stanja Fe-C (isprekidane linije) koji se odnosi na siva livena gvoa.

Sa dijagrama na sl. 1 vidi seda su eutektika i eutektoidna temperatura u odnosu na metastabilni dijagram stanja (pune linije) pomerene ka viim vrednostima. Na istoj slici ematski su prikazane i mikrostrukture livenih gvoa koje se prvenstveno razlikuju po strukturi osnove i obliku grafita. Struktura osnove zavisi od brzine hlaenja i moe da bude:

- perlitno-cementitna (tvrdi liv) - velika brzina hlaenja - perlitno-grafitna (perlitni sivi liv) - srednja brzina hlaenja feritno-grafitna (feritni sivi liv) - mala brzina hlaenja

Naziv dokumenta:

Livena gvoa i elici Broj dok.: 2.20.

Strana 2 od 8

Sivi liv Sivi liv se dobija iz sivog livnikog gvoa sporim hlaenjem koje omoguava da se ugljenik u toku

ovravanja izdvoji u obliku lamela grafita, sl. 2. Kvalitet i mehanika svojstva sivog liva zavise od strukture osnove, koliine, veliine i raspodele lamela grafita. Metalna osnova sivog liva moe da bude feritna, perlitna ili meovita, feritno-perlitna. to je vie perlita u livu to su zatezna vrstoa i tvrdoa vee. Lamele grafita nepovoljno utiu na svojstva sivog liva, a prvenstveno na ilavost, jer presecaju me-talnu osnovu, ime se smanjuje otpornost na udarno optereenje. Stoga je sadraj ugljenika ogranien na 4%. Sa usitnjavanjem lamela grafita zatezna vrstoa i ilavost sivog liva se poveavaju. Silicijum znaajno poveava livkost, a smanjuje ilavost.

Slika 1. ematski prikaz dijagrama stanja i mikrostuktura livenih gvoa -

a) b) Slika 2. Mikrostruktura sivog livenog gvoa: a) feritna osnova sa lamelama grafita (tamno); b) perlitna osnova sa

lamelama grafita (tamno). Uveanje 100

Naziv dokumenta:

Livena gvoa i elici Broj dok.: 2.20.

Strana 3 od 8

Sivi liv je otporan na habanje i koroziju, dobro se obrauje rezanjem, dobro provodi toplotu i priguuje vibracije. Odlivci od sivog liva su jeftiniji od ostalih livova. Sivi liv se oznaava prema JUS C.J2.020 slovnim simbolima SL i cifarskim simbolima koju definiu vrednost zatezne vrstoe, izraene u MPa. Na primer, oznaka SL300 znai da je re o sivom livu zatezne vrstoe 300 MPa.

Vrste i mehanika svojstva sivih livova su prikazana u tab. 2. Sivi liv SL150 se koristi za manje optereene delove kao to su postolja maina, kuita menjaa, kanalizacioni i sanitarni liv. Sivi livovi SL200 i SL250 se koriste za vodovodne cevi i armature, za koione doboe motorinih vozila. Sivi livovi SL300 i SL350 se koriste za cevi pod pritiskom, za delove izloene habanju i visokom pritisku, za delove kompresora, turbina i dizel motora.

Tabela 2. Vrste i mehanika svojstva sivog liva Oznaka Napon teenja,

Rp0,2 (MPa) Zatezna vrstoa,

Rm (MPa) Izduenje

% ilavost

J SL 150 100 150 0,6 8-13 SL 200 130 200 0,5 8-15 SL 250 170 250 0,5 13-22 SL 300 205 300 0,5 16-31 SL 350 235 350 0,5 24-47

Modificiranjem sivog liva, odnosno dodavanjem 0,3-0,8% ferosilicijuma u rastopljeni liv neposredno pred izlivanje, dobija se modificirani sivi liv. Modificiranjem se lamele grafita smanjuju i prevode u povoljniji oblik. Ovaj liv u poreenju sa sivim livom ima niz prednosti kao to su vea zatezna vrstoa, tvrdoa i ilavost. Tvrdi liv Ovravanje i mikrostruktura belih livova su u saglasnosti sa metastabilnim dijagramom stanja Fe-C. Ako je po celom preseku odlivka ugljenik vezan u obliku cementita, liv se naziva beli tvrdi liv (BTL). Ako pri hlaenju odlivka u povrinskom sloju nastane tvrda cementitna struktura, a u unutranjosti odlivka struktura sivog liva, dobija se tvrdokorni tvrdi liv (TTL). Visoka povrinska tvrdoa ovog liva obezbeuje otpornost na habanje, to ga uz dovoljno ilavo jezgro ini pogodnim za izradu delova, kao to su kugle mlinova, valjci, vagonski tokovi i delovi drobilica. Nodularni liv

Nodularni liv se dobija na isti nain kao modificirani sivi liv, s tim to se umesto ferosilicijuma dodaju magnezijum ili cerijum, koji omoguavaju izdvajanje grafita u obliku nodula, sl. 3. Nodularni liv ima znatno veu vrstou i ilavost od sivog liva, to je posledica izdvojenog grafita u obliku nodula i smanjenog sadraj sumpora i fosfora. Struktura metalne osnove nodularnog liva zavisi od sastava i brzine hlaenja i ista je kao kod sivog liva.

Slika 3. Mikrostruktura nodularnog liva. Uveanje 100

Naziv dokumenta:

Livena gvoa i elici Broj dok.: 2.20.

Strana 4 od 8

Prema JUS C.J2.022 oznaka za nodularni liv je NL, uz koju se dodaje brojana vrednost zatezne vrstoe, izraene u MPa, i izduenja u procentima. Na primer oznaka NL700-2 znai daje re o nodular-nom livu zatezne vrstoe 700 MPa i izduenja 2%. Nodularni liv se dobro obrauje rezanjem, ima sposobnost da priguuje vibracije i otporan je na habanje. Zahvaljujui relativno visokoj zateznoj vrstou nodularni liv se upotrebljava se za odgovorne delove presa, mlinova, hidroturbina, automobila. Vrste, mehanika svojstva i struktura osnove nodularnog liva su prikazani u tab. 2.

Tabela 2. Vrste, mehanika svojstva i struktura osnove nodularnog liva Oznaka Napon teenja, Rp0,2 MPa

Zatezna vrstoa, Rm MPa

Izduenje %

Struktura osnove

NL 370-17 250 370 17 feritna NL 400-12 280 400 12 feritna NL 500-7 320 500 7 feritno - perlitna NL 600-3 380 600 3 perlitno - feritna NL 700-2 440 700 2 preteno perlitna NL 800-2 500 800 2 perlitna

Temper liv Temper liv se dobija dugotrajnom termikom obradom (arenjem) belog liva na visokim

temperaturama da bi se ugljenik koji je bio vezan u cementitu, izdvojio u obliku temper-grafita. Na osnovu hemijskog sastava, temperature, vremena i atmosfere u pei pri arenju, odnosno strukture, razlikuju se dve vrste temper liva - beli i crni, sl. 4. Beli temper liv se dobija arenjem u oksidacionoj atmosferi (najee u hematitu), pri emu osim razlaganja cementita, dolazi i do razugljenienja odlivka. Crni temper liv se dobija arenjem u neutralnoj atmosferi (kvarcni pesak), pri emu dolazi samo do razlaganja cementita. Struktura osnove temper liva moe da bude feritna, perlitna ili feritno-perlitna.

a) b) Slika 4. Mikrostruktura temper liva: a) beli temper liv; b) crni temper liv. Uveanje 100

Termika obrada temper liva sastoji se iz grafitizacije i hlaenja odlivaka. Grafitizacija je proces dobijanja grafita razlaganjem cementita: Fe3C 3Fe + C (temper grafit). U I fazi grafitizacije odlivci se progrevaju dugotrajno na 940-1020 C, sl. 5. Za dobijanje temper liva sa feritnom osnovom posle zavrene I faze grafitizacije potrebno je veoma sporo hlaenje u temperaturnom intervalu 700-760 C, da bi se sav ugljenik izdvojio u obliku grafita (II faza grafitizacije). Za dobijanje temper liva sa perlitnom osnovom posle zavrene I faze grafitizacije potrebno je naknadno krae arenje na temperaturi oko 500 C, sl. 5.

Naziv dokumenta:

Livena gvoa i elici Broj dok.: 2.20.

Strana 5 od 8

Slika 5. Termika obrada temper liva

Prema JUS C.J2.021 oznaka temper liva se sastoji iz slovnih simbola: BTEL (beli temper liv), CTEL (crni temper liv). Uz slovnu oznaku piu se cifarski simboli, pri emu prve cifre predstavljaju zateznu vrstou izraenu u MPa smanjenu 10 puta, a druge dve cifre predstavljaju izduenje u procentima. Na primer BTEL 40-05 znai da je re o belom temper livu zatezne vrstoe 400 MPa i izduenja A=5%, tab. 3. Temper liv ima dobru zateznu vrstou, ilavost, otpornost na koroziju, obradivost rezanjem i livkost. Mehanika svojstva nekih temper livova su prikazana u tab. 3.

Tabela 3. Mehanika svojstva nekih temper livova Oznaka liva Prenik

epruvete, mm Napon teenja

Rp0,2, MPa Zat. vrstoa,

Rm, MPa Izduenje

A, % Tvrdoa

HB BTEL 35-04 12 350 4 220 BTEL 40-05 12 220 400 5 220 CTEL 35-10 12 ili 15 200 350 10 150

Temper liv se najvie primenjuje za izradu tankozidnih delova u automobilskoj industriji, klipnjaa motora, viljuki kardana, kao i za delove poljoprivrednih i graevinskih maina. Vermikularni liv U strukturi vermikularnog liva, pored vermikularnog grafita, nalaze se i nodule grafita (najvie do 30%). Ovaj liv se prema osobinama nalazi izmeu sivog i nodularnog liva. Koristi se za delove koji su izloeni promenljivim mehanikim optereenjima, delove motora SUS, brodskih dizel motora, traktora i transportnih maina. Legirani liv Legirani liv se dobija dodavanjem legirajuih elemenata (npr. Ni, Cr, Mo, Mg, Si, Cu, Al i Mn) ostalim livovima. Legirajui elementi doprinose usitnjavaju zrna, ravnomernijoj raspodeli, usitnjavanju i povoljnijem obliku grafita, to popravlja mehanika svojstva. Osim toga, legirajui elementi mogu da utiu na strukturu metalne osnove, tako da se osim feritnih i perlitnih livova dobijaju i austenitni livovi, kao i kombinacije ovih struktura. Prema sadraju legirajuih elemenata, legirani livovi se dele na:

- niskolegirane, do 3% legirajuih elemenata, - srednjelegirane, od 3 do 10% legirajuih elemenata i - visokolegirane, preko 10% legirajuih elemenata.

U zavisnosti od svojstava i namene, livovi se dele na: - otporne na habanje, legirani sa Cr, Mo, Mg, Ni i Si, - koroziono postojane, legirani uglavnom sa Si i Cr, - hemijski postojane, legirani sa Ni, Mn, Cu, Si i Cr,

Naziv dokumenta:

Livena gvoa i elici Broj dok.: 2.20.

Strana 6 od 8

- vatrootporne, legirani sa Cr, Ni, Si i Al, i - sa posebnim fizikim svojstvima, legirani sa Ni, Cu, Cr i Si. Za svaki od ovih livova postoji odgovarajue oznaavanje po JUS. Osnovna prednost legiranih livova

su njihova dobra svojstva, dok je osnovna mana visoka cena. elini liv elini liv (L) je legura eleza i ugljenika od koje se izrauju odlivci za rad u uslovima dinamikog optereenja, kada se ne preporuuje upotreba livenih gvoa. Podela L prema nameni je analogna podeli elika, tako da se L do 0,6% C smatraju konstrukcionim, a preko 0,6% C alatnim. elini liv objedinjuje dobra svojstva elika i livenog gvoa, jer ima dobra mehanika svojstva i moe da se lije. Meutim, u poreenju sa livenim gvoima, elini liv ima loija svojstva livenja jer ima vee skupljanje (do 2%, u poreenju sa 1%) i zahteva viu temperaturu ulivanja (preko 1600 C, u po-reenju sa 1300 C). Svojstva livenja se popravljaju sa poveanjem sadraja ugljenika, ali se isto-vremeno smanjuje ilavost L. Zavisno od sastava konstrukcioni elini livovi se dele na niskougljenine (0,10,25% C), srednje-ugljenine (0,250,4% C), visokougljenine (0,40,6% C) i legirane. Niskougljenini L se koristi za izradu malo optereenih odlivaka (kuita elektromotora, delovi vagona, putnikih vozila i brodova). Srednjeugljenini L se koristi za izradu veoma optereenih odlivaka (tokovi elektrolokomotiva, inobusa i dizalica, postolja maina i kuita parnih turbina, kuita i radna kola hidro turbina, ramovi ko-vakih presa). Visokougljenini L se koristi za izradu optereenih odlivaka izloenih habanju (npr. veliki zupanici u cementarama i valjaonicama).

Legirani elini livovi se dele na manganske, hromne i viestruko legirane (Cr-Mn, Cr-Mo, Cr-Mo-V, Cr-Ni). Osnovni razlozi za legiranje su poveanje otpornosti na habanje, otpornosti na koroziju i vatro-otpornosti. ZAVARLJIVOST LIVENOG GVOA I ELIKA Mogunost zavarivanja livenih metalnih legura i nain na koji se to obavlja odreuje kako e se one ponaati tokom procesa zavarivanja, odnosno tokom brzog i lokalnog unoenja toplote. Tako se moe govoriti o tehnolokom ponaanju pri zavarivanju i metalurkom ponaanju pri zavarivanju. Na sl. 6 prikazana je ema tehnolokog ponaanja koja uzima u obzir osnovne faktore kao to je geometrija ava, osnovni i dodatni materijal.

Dodatni materijal Bez obzira koji postupak zavarivanja se primeni, dodatni matrijal se bira tako da zavareni spoj zadri mehanike i strukturne karakteristike koje su jednake ili bolje od karakteristika osnovnog materijala. Takoe treba voditi rauna o sledeem: Proces zavarivanja ne sme da izmeni osnovni materijal Zona uticaja toplote je posledica mehanikih i strukturnih promena tokom zavarivanja Karakteristike deponovanog materijala zavise od procesa kristalizacije Dodatni matrijal za zavarivanje livenih gvoa i livenih elika sa kontrolisanim H ima sledee oznake: - H za dodatni materijal sa manje od 10cm3/100g difundovanog vodonika; - LH za dodatni materijal sa manje od 5cm3/100g difundovanog vodonika; - LLH za dodatni materijal sa manje od 2cm3/100g difundovanog vodonika; Oznaavanje elektroda za sivi liv prema JUS je dato u dodatku.

Naziv dokumenta:

Livena gvoa i elici Broj dok.: 2.20.

Strana 7 od 8

Specifinosti zavarivanja sivog livenog gvoa (primena) Zavarivanje livenih gvoa je teak problem obzirom da imaju nisku plastinost, i da pod uticajem kratkotrajnih i zaostalih napona lako pucaju. Jednom formirane prsline brzo napreduju i izazivaju lomove jer liveno gvoe ima smanjenu sposobnost da zadri njihovo propagiranje. Pri tome se zavarivanje primenjuje uglavnom za popravke i vrlo retko za vreme proizvodnje novih konstrukcionih elemenata. Sivo liveno gvoe uzrokuje probleme tokom zavarivanja zbog niske termike provodljivosti, niske temparature topljenja u odnosu na elike i velike teljivosti u istopljenom stanju. Osnova pravila kojih se treba pridravati tokom zavarivanja sivog livenog gvoa su: - Sve greke (prsline) se moraju ukloniti i delovi polirati do metalnog sjaja. Ivice greaka se uklanjaju

standardnim mehanikim procedurama. - Zavarivanje se mora obaviti u horizontalnom (PA) poloaju jer velika teljivost tenog gvoa ne doz-

voljava bilo koji drugi poloaj zavarivanja. Koriste se elektrode najmanjeg mogueg prenika i najmanji intenziteti struje. - Sivo liveno gvoe koje se zavaruje elektrodama od sivog livenog gvoa obloenih grafitom i fero-

silicijumom hemijskog sastava 3-3.6% C, 0,5-0,8% Mn, Si>3%, P0,6%, S0,1%, zahteva visoke temperature predgrevanja (toplo), izmeu 600-800 oC. Posle zavarivanja delovi se prekrivaju izolaci-onim materijalom radi smanjenja brzine hlaenja, to pomae grafitizaciju pretopljenog metala.

- Ako se koriste elektrode na bazi nikla, mogu da se primenjuju niske temperature predgrevanja (hlad-no), a zavarivanje se zaustavlja kada delovi dostignu 50-60 C. Nakon zavarivanja potrebno je obez-bediti takoe lagano hlaenje. Dodatni materijal je legura visoke plastinosti da bi preuzela kratko-trajne i zaostale napone i da zaustavi difuziju ugljenika iz livenog gvoa u av. Ako se primeni elina elektroda dolazi do difuzije ugljenika iz livenog gvoa u metal ava, pa se u zoni uticaja toplote pojavljuje belo liveno gvoe, a metal ava koji je obogaen ugljenikom postaje tvrd i krt.

Zavarivanje na hladno (bez predgrevanja) moe da se izvede posebnom tehnikom naizmeninog polaganja dve vrste slojeva - elektrodama od istog nikla i elektrodama od Ni-Fe legure, sl. 6. Pri tome Ni obezbeuje dobro vezivanje, a legura Ni-Fe dobru vrstou spoja. Zavari treba da budu kratki i da se odmah iskivaju. slojevi od istog Ni slojevi od Ni-Fe legure

Slika 6. Zavarivanje sivog liva na hladno Kod zavarivanje na toplo posebnu panju treba posvetiti predgrevanju, koje treba izvesti tako da se zavareni spoj dovede u pritisno naponsko stanje, umesto u zatezno, kao to je prikazano na sl. 7.

Slika 7. etiri faze zavarivanja sivog liva na toplo: (A) poetni poloaj, (B) predgrevanje, (C) termiko irenje usled predgrevanja, (D) pritisni naponi u zavarenom spoju

Naziv dokumenta:

Livena gvoa i elici Broj dok.: 2.20.

Strana 8 od 8

Veoma efikasan nain smanjenja zaostalih napona, koji se esto koristi kod sivih livova, je samarenje (peskarenje - peening). Na sl. 8A je prikazan zatezni zaostali napon posle nanoenja prvog zavara, koji je blizu granice teenja. Radi njegovog smanjenja primenjuje se samarenje koje zaostali napon svodi na relativno malu vrednost, sl. 8B. Ovakva situacija se ponavlja pri sledeem zavaru, sl. 8C i 8D, pri emu je veliina zaostalih napona manja u odnosu na prvi zavar. Osim toga, samarenjem se smanjuje distorzija spoja i spreava nastanak prslina u zoni uticaja toplote.

Slika 8. Primena samarenja u cilju smanjenja zaostalih napona

Sadraj2.12.22.32.42.52.62.72.82.92.102.112.122.132.142.152.162.172.182.192.202.212.222.232.242.252.26

EV.q/V|PVwA$qeV.qd5scVV