tehni ki fakultet u boru - tfbor.bg.ac.rs · pdf filepoboljšanje svojstava materijala...

Vuunepsurer y EeorpagyTexnr.rqrcn {any;rrer y BopyEpoj: VI/4-20-6-lBop: 03. 02.2012. roAr.rne.

Ha ocuony w. 44. Craryra Texuuqxor $aryntera y Bopy, Hacrasgo-uayuno neheOaryrrera, Ha ceAHrrrlu o.upxauoj 02. 02.2012. roAr.rne, .uonelo je

olnvKvI llpnxnara ce 3axree 3a nanuga\ujy n nepz{uxaqajy rexH1asKor peuerba

"[o6o.rmarre crojcraBa Marepnjana 3a [3paAy KoKHJra 3a JrrrBerl,e 3Jrara n ApyrnxnJreMeHHTrrx MeraJra", ayropa; ,4P Cnernane I4nauon, BaHpeAHor npo$ecopa Texnla.rror(paryrnera y Fopy, AP ,[parocnana fycronuha, peAoBHor npoQecopa Texnsqxor Qarynrera y6opy, rP Jby6uqeI4nauuh, peAoBHor upo(fecopa TexHa.rror Sarynrera y Eopy, gp i".rnurlHecroponuh, pe4onnor npolpecopa Texnuvror Qarcyrrrera y Eopy, up Eare Mapjauonnha,acl{creHTa Texnuqxor @axynreta y Bopy, rr,rp Cp6e Mna,qeuosuha, acuc.tenra Texur{tr*otQaxy.rlrer y Fopy z rrap l4naue Mapronuh, acncrenra Texnu.rxor $axynrera y Bopy.

II llpuxrara ce upeAJror rpeAJroxeHr{x perleu3eHara:

,up 3aropra AhaNros[h flan"nonuh, BaHperH[ npo$ecop, TexnononrKo-MeranyprrrKgQaxynrer y Eeorpagy;.up Bnacranaup Tpyjuh, nllutu Haf{Hr{ capa4Hr.rK, I4Hcruryr 3a pyAapcrBo r{ Meranyp-rujy y Bopy;

m 3axrcn 3a natugarlujy u neprQr.rraunjy rexHr.rrrKor pemerra "ffo6o.rmanecnojcrana uarepuja.rra ra [3paAy KoKuJra 3a JInBerLe 3Jrara H Apyrnx nJreMe'urrrxMerara", ayropa: .up Cnernatre I'IsaHon, BaHpeAHor npo0ecopa Texuuvroi-6aoyntera y Fopy,AP Aparocnana fycxornha, peAoBnor npo$ecopa TexHrE.rxor (parynrera y bopy, Ap nyOrrl,l4nauuh, peAoBHor npo$ecopa Texnr.rKor (parynrera y Eopy, ap Cneuaul Hecroponnh,peAoBHor npo(pecopa Texnuqxor Saxynrera y Eopy, Mp 6are Mapjanonrnha, acucreflraTexnu'rror Saryntera y 5opy, nap Cp6e Mra,{enosuha, acucreHra Texn"r*o. $axynrer y Eopyr.r r'rp I,lnaue Maproeuh, acucreuTa Texnnqror Sarynrera y Eopy, cacraBHr{ je aeo oue Oaryre.

1.

)

.{ocran.neno:- npoAeKaHy sa HI4P- HMEHOBAHI,IMA

- apxHBH

TIPETCEAHI4KHACTABHO-HAYI{HO| BEAA

Univerzitet u Beogradu

TEHNIČKI FAKULTET U BORU +381(0) 30 424 - 555, faks: 030 421 – 078

PIB: 100629192, MB: 07130210 ulica Vojske Jugoslavija 12, 19210 Bor

TEHNIČKO I RAZVOJNO REŠENJE (M84)

POBOLJŠANJE SVOJSTAVA MATERIJALA ZA IZRADU KOKILA ZA LIVENJE ZLATA I DRUGIH PLEMENITIH METALA

1. Naslov i evidencioni broj Projekta:

Naslov: OSVAJANJE PROIZVODNJE LIVENIH LEGURA SISTEMA BAKAR-ZLATO, BAKAR-SREBRO, BAKAR-PLATINA, BAKAR-PALADIJUM I BAKAR-RODIJUM POBOLJŠANIH SVOJSTAVA PRIMENOM MEHANIZMA OJAČAVANJA ŽARENJEM Evidencioni broj: TR 34003

2. Rukovodilac: Prof. dr Svetlana Nestorović, dipl. inž. metalurgije

3. Organizacija i koordinator: TEHNIČKI FAKULTET BOR

4. Korisnik: RUDARSKO-TOPIONIČARSKI BASEN BOR–RJ ZA PROIZVODNJU PLEMENITIH METALA

5. Naziv tehničkog i razvojnog rešenja:


6. Autori: Prof. dr Svetlana Ivanov, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet Bor Prof. dr Dragoslav Gusković, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet Bor Prof. dr Ljubica Ivanić, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet Bor Prof. dr Svetlana Nestorović, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet Bor Doc. dr Srba Mladenović, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet Bor Mr Bata Marjanović, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet Bor Mr Ivana Marković, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet Bor

7. Oblast na koju se tehničko i razvojno rešenje odnosi: MATERIJALI I HEMIJSKE TEHNOLOGIJE

8. Godina kada je tehničko rešenje urađeno 2012. godina

Poboljšanje svojstava materijala za izradu kokila za livenje zlata i drugih plemenitih metala

1

1.0 UVOD

U uslovima globalne konkurencije i visokih zahteva korisnika imperativ za livnice koje

žele opstati na tržištu je izrada visokokvalitetnih, jeftinih i ekološki prihvatljivih proizvoda. S druge strane, suočeni smo s činjenicom da je životni vek prozvoda sve kraći, a time se i vreme razvoja novog proizvoda rapidno smanjuje. U ovakvim uslovima pored zadovoljavajućeg kvaliteta presudna je i brzina razvoja novog proizvoda i njegov plasman na tržište, što predstavlja merilo uspešnosti kompanija.

Aktuelni tržišni razvoj, kao i tehnički i ekonomski cilj “proizvodnja odlivaka bez greške” zahteva primenu savremene proizvodne tehnike. Stečena znanja u ovoj oblasti, razvoj eksperimentalnih metoda ispitivanja metala i uspostavljanje korelacije struktura-osobine metala predstavljaju osnovu pri dizajniranju metalnih materijala. U okviru struke treba da se steknu sposobnosti za primenu stečenog znanja u konkretnim praktičnim primerima što čini temelj daljem razvoju i usavršavanju.

2.0 CILJ I ZNAČAJ TEHNIČKOG REŠENJA

Cilj tehničkog rešenja je da se utvrđivanjem korelacije strukture i osobina izvrši

sagledavanje i optimizacija uslova prerade i oblikovanja materijala za izradu kokila za livenje zlata i drugih plemenitih metala sa odgovarajućim performansama u eksploataciji.

Značaj tehničkog rešenja je u činjenici da su njime definisani optimalni uslovi izrade kvalitetnih odlivaka sa ujednačenom strukturom, homogenim hemijskim sastavom bez zonalne likvacije, prisustva gasnih šupljina, usahlina ili lunkera i optimalnim fizičko-mehaničkim osobinama, čime se postiže i veći nivo efektivnosti i produktivnosti.

Na osnovu sagledavanja i analize različitog materijala za izradu kokila, a na osnovu raspoloživih podataka, predloženo tehničko i razvojno rešenje je originalno kako u pogledu izbora materijala za izradu kokila za livenje, tako i u pogledu njegove praktične primene u osvajanju proizvodnje livenih legura sistema Cu-Au, Cu-Ag, Cu-Pt i dr. poboljšanih svojstava, u okviru istraživanja vezanih za tekući projekat koji se realizuje na Tehničkom falultetu u Boru za oblast materijali i hemijske tehnologije, kao i za rešenje problema izdržljivosti kokila od sivog liva i njihovih čestih proboja pri livenju zlata u RJ za proizvodnju plemenitih metala - TIR Bor DOO. Cilj predloženog tehničkog i razvojnog rešenja je bio dvostruki: rešiti probleme pri livenju zlata i probleme vezane za istraživanja u okviru tekućeg projekta.

3.0 SUŠTINA, OPIS I KARAKTERISTIKE TEHNIČKOG REŠENJA

Livenjem se proizvode odlivci koji služe kao poluproizvodi za dalju plastičnu deformaciju metala do gotovog proizvoda. Procesom livenja prevodi se metal posle topljenja i legiranja iz tečnog u čvrsto stanje, pri čemu se određuje oblik odlivka potreban za dalju preradu.

Pri ovoj transformaciji neophodno je obezbediti što bolje fizičko-mehaničke osobine (gustina, homogenost, veličina zrna i dr.) odlivka. Odgovarajuće osobine kod odlivaka moguće je dobiti pod uslovom vođenja odgovarajućeg temperaturno-brzinskog režima livenja, pod kojim se podrazumeva: - temperatura metala pri livenju, - brzina livenja, - temperatura kokile,


2

- dimenzije kokile, - brzina odvođenja toplote u toku kristalizacije, - brzina očvršćavanja.

Ovi parametri treba da obezbede takve uslove u kojima će brzina livenja biti jednaka brzini kristalizacije što će dati ujednačenu sitnozrnastu strukturu odlivka, sa homogenim hemijskim sastavom, bez zonalne likvacije, prisustva gasnih šupljina, usahlina ili lunkera.

Za ispunjenje zadatih uslova potrebno je korišćenje dijagrama stanja radi određivanja temperature livenja, poznavanje načina livenja (stacionarno ili dinamičko, konti) poznavanje dimenzija, načina hlađenja i materijal kokile. Brzina hlađenja odlivka od temperature završetka kristalizacije do sobne temperature ima veliki uticaj na osobine odlivka, naročito ako u tom temperaturnom intervalu ima faznih transformacija. Regulisanje brzine hlađenja i fiksiranje određenog stanja unutar jednofaznog područja, ima smisla ukoliko se odlivak nakon livenja podvrgava daljoj prearadi. Fiksiranje željenog područja može se izvršiti i naknadnim zagrevanjem (homogenizacijom) i naglim hlađenjem sa određene temperature.

Definisanje tehnoloških uslova kao i određivanje navedenih parametara biće objašnjeno ovim tehničkim rešenjem.

Inovativno rešenje za izradu kokila za livenje zlata i drugih plemenitih metala Glavni faktori na koje treba usmeriti pažnju pri izradi kokila za dobijanje kvalitetnih

odlivaka od zlata i drugih plemenitih metala, a koji određuju sposobnost odvođenja toplote od zalivenog metala i utiču na zapreminsku zonu kristalizacije, usmerenost fronta kristalizacije, period kristalizacije, gustinu odlivka, disperznost strukture i likvaciju su:

1. Dimenzije kokile. Odnos visine, širine i dužine odlivka je važan kako sa stanovišta

uslova kristalizacije, tako i sa stanovišta uslova prerade legura u plastičnom stanju. Pri livenju plemenitih metala u stacionarne kokile odnos između stranica i visine, za

pravougaone odlivke jeste:

h : b : l = 1 : (4-7) : (8-10), gde je: h - debljina odlivka, b - širina odlivka, l - visina odlivka.

Za šipkasti oblik odlivka odnos između prečnika i visine odlivka treba da bude:

d : l = 1 : (4-6).

gde je: d - prečnik odlivka, l - visina odlivka.

2. Određivanje mase kokile. Pri kristalizaciji odlivka kokila prima i odaje toplotu

dovedenu sa tečnim metalom. Što je intenzivnije odvođenje toplote od metala i intenzivnije hlađenje u procesu kristalizacije, to je kraći period kristalizacije, a samim tim i povoljniji uslovi za dobijanje kvalitetnog odlivka. Za različite kokile, po obliku i vrsti materijala (sa različitom


3

toplotnom provodljivošću i toplotnim kapacitetom), uticaj mase kokile na period kristalizacije je različit i nije proporcionalan. U svim slučajevima je uslov da je potrebna ona masa kokile koja je sposobna da primi svu toplotu koja se izdvaja pri hlađenju i kristalizaciji metala, a da pri tome porast temperature kokile ne bude veći od 450 do 500 K. Ovaj uslov može biti prikazan jednačinom (1):

q = (t1 – t2) c1 m1 + Q m1 + (t3 – t4) c2 m1 = (t4 – to) c3 m2 (1)

gde je: q – količina toplote koju kokila treba da primi, J; to – početna temperatura kokile, K; t1 – temperatura liva u momentu livenja, K; t2 – temperatura početka kristalizacije metala, K; t3 – tempetura završetka kristalizacije metala, K; t4 – temperatura odlivka pri vađenju iz kokile, K; c1 – specifični toplotni kapacitet rastopa od temperature livenja do temperature početka kristalizacije, J/kg K; c2 – specifični toplotni kapacitet metala od temperature završetka kristalizacije do temperature vađenja odlivka iz kokile, J/kg K; c3 – specifični toplotni kapacitet kokile u datom intervalu, J/kg K; Q – toplota kristalizacije metala, J/kg; m1 – masa odlivka, kg; m2 – masa kokile, kg.

Sposobnost kokile za odvođenje toplote izražava se: odnosom mase kokile prema masi odlivka, poprečnim presekom kokile prema poprečnom preseku odlivka ili odnosom debljine zida odnosno dna kokile prema debljini odlivka. Na osnovu eksperimentalnih ispitivanja utvrđeno je da za pravougaone odlivke odnos debljine zida kokile prema debljini odlivka treba da bude 1,8-2,4. Kod okruglih (šipkastih) odlivaka optimalni odnos debljine zida kokile prema prečniku odlivka je 0,9-1,2. 3. Optimalna temperatura kokile. Pored dimenzija kokile, jedan od najvažnijih parametara pri livenju jeste temperatura kokile pre i posle livenja. Već je napomenuto da se temperatura kokile u toku livenja ne sme povisiti više od 400 K, odnosno da temperatura kokile posle livenja ne sme biti iznad 700 K. Ukoliko se u tako zagrejanu kokilu nastavi livenje, onda će se sigurno poremetiti uslovi kristalizacije, jer je odvođenje toplote od tečnog metala sada mnogo sporije. Iz gore pomenute činjenice proizilazi neophodnost da se kokila, posle svakog livenja, ohladi do temperature koja će obezbediti normalne uslove za odvođenje toplote pri sledećem livenju. Temperatura zagrevanja kokile pre livenja treba da bude iznad temperature okoline, a najviše do 400 K. S obzirom na iznete uslove održavanja temperature kokile za vreme livenja, u toku rada treba se pridržavati sledećih zahteva:

- ne sme se vršiti više uzastopnih livenja u istu kokilu bez međufaznog žarenja, odnosno dovođenja temperature kokile do početne radne temperature;

- kod više uzastopnih livenja mora se raspolagati sa više istih kokila koje će se naizmenično upotrebljavati u toku rada;

- hlađenje kokile do radne temperature može se vršiti prirodnim putem ili korišćenjem suvog vazduha;

- kokila se ne sme hladiti spuštanjem u vodu ili polivanjem.


4

4. Materijal za izradu kokile. Pri izboru materijala za izradu kokile mora se voditi

računa o toplotnoj provodljivosti materijala i termičkom koeficijentu njegovog širenja. Materijali sa visokom toplotnom provodljivošću obezbeđuju brzo odvođenje toplote pri kristalizaciji metala. Termički koeficijent širenja ima dvojako dejstvo pri eksploataciji kokile. Prvo, pri velikom termičkom koeficijentu širenja, u toku livenja, povećava se zazor između kokile i odlivka, a time se pogoršavaju uslovi za odvođenje toplote od odlivka. Drugo, kod materijala sa većim koeficijentom termičkog širenja postoji veća mogućnost pojave termičkih pukotina, a time i skraćenje veka trajanja kokile. Pošto se za sada ne raspolaže takvim materijalom koji bi u isto vreme imao visoku provodljivost i mali koeficijent termičkog širenja, to se izbor materijala za kokilu vrši na osnovu toplotne provodljivosti. Kokile za livenje plemenitih metala izrađuju se od sivog liva, čelika, bakra, grafita i kalcijum – oksida. Hemijski sastav sivog liva i čelika koji se koriste za izradu kokila dat je u tabeli 1.

Tabela 1 - Hemijski sastav sivog liva i čelika za izradu kokila

Materijal kokile

C %

Si %

Mn %

P %max

S %max

Cr %

Ni %

W %

Mo %

Sivi liv 3,1-3,3 1,6-1,2 0,8-1,2 0,15 0,1

Sivi liv 3,2-3,5 2,4-2,6 0,6-0,8 0,3 0,08 0,4-0,6 0,4-1,0

Sivi liv 2,8-3,6 1,6-2,2 0,4-0,8 0,2 0,1 0,4 0,1

Čelik 0,18-0,27 0,12-0,3 0,4-0,7

Legirani čelik 0,35-0,44 0,6-0,9 0,2-0,4 1,0-1,3 2,0-2,5

Legirani čelik 0,5-0,6 0,35 0,5-0,8 0,5-0,8 1,4-1,8 0,15-0,3

Hemijski sastav sivog liva koji se koristi za izradu kokila 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. Naziv za sivi liv potiče od tamnog izgleda preloma odlivka. Od ukupne količine ugljenika u sivom livu, najviše 0.8% C vezano je u obliku karbida železa (cementit - Fe3C sadržan u perlitu), a preostala količina izlučena je u obliku lamelarnog grafita. U sivom livu nema slobodnog cementita, već samo u vidu eutektoida-perlita. Metalna matrica sivog liva je u stvari čelična (od ferita i perlita), a razlika je samo u slobodnom ugljeniku – grafitu (Slika 1). 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 grafita. Sniženje sadržaja ugljenika ispod 2.8% pogoršava livkost, a povećanje iznad 3.5% daje više grafita i pogoršava mehaničke osobine. Pored povećanog sadržaja ugljenika u odnosu na čelik, sivi liv ima i povećan sadržaj Si i P. Uticaj silicijuma je veoma značajan jer on umanjuje rastvorljivost ugljenika u gvožđu, pa ostaje više slobodnog ugljenika u vidu grafita. Ipak sadržaj Si ne sme preći 3% jer se stvara veoma tvrd fero-silicijum. Moguće strukture normalno hlađenog livenog gvožđa zavisno od sadržaja C i Si daje Maurerov dijagram (Slika 1a), odnosno Grajner - Klingenštajnov dijagram (Slika 1b) koji uzima u obzir sadržaj (C + Si) i debljinu zida odlivka. Ovi dijagrami (Slika 1) odnose se ne samo na sivi liv, već na sve vrste livenih gvožđa.

Struktura livenog gvožđa može da se menja u širokim granicama promenom sadržaja silicijuma i drugih elemenata, kao i promenom brzine hlađenja. Metalna osnova (matrica) sivog livenog gvožđa, može biti feritna, perlitna i perlitno-feritna. (Slika 2).


5

(a) (b)

Slika 1. Maurerov dijagram (a) i Grajner - Klingenštajnov dijagram (b)

(a)

(b) Slika 2. Šematski izgled (a) i mikrofotografije metalne osnove (b) u sivom livenom gvožđu (100x).

Od strukture metalne osnove, količine, veličine i raspodele izlučenih lamela grafita zavise

kvalitet i mehaničke osobine sivog liva. Oblik nastalih lamela zavisi od brzine hlađenja, prisutnih primesa i legirajućih elemenata (Slike 3–6.).

Rezultati strukturnih ispitivanja materijala kokila pokazuju strukturnu neujednačenost koja je dovela do problema vezanih za česte proboje kokila pri livenju zlata. Registrovani su različiti oblici, raspored i veličina izdvojenog grafita (Slika 4), kao i razlike u strukturi metalne osnove sivog liva (Slika 5) od koga su izrađene kokile za livenje zlata u RJ za proizvodnju plemenitih metala – TIR Bor DOO. Od homogenog rasporeda grafita u obliku kraćih zadebljanih listića sa izvesnom količinom neregularnih nodula, do grafita u obliku gnezda (rozeta), slika 4a i u obliku dendrita, slika 4b.


6

Slika 3. Uticaj legirajućih elemenata na zateznu čvrstoću i tvrdoću sivog livenog gvožđa

(a) (b)

Slika 4. Mikrostruktura kalupa za livenje zlata - mikrostruktura sivog livenog gvožđa. Nenagrižen uzorak da bi se naglasili oblik i raspodela grafitnih lamela. (100x).

(a) (b) Slika 5. Mikrostruktura kalupa za livenje zlata - mikrostruktura feritnog (a) i perlitno- feritnog sivog livenog gvožđa (b). Nagrižen uzorak nitalom da bi se pokazala struktura metalne osnove. (100x)


7

Slika 6. prikazuje mikrostrukturu kalupa za livenje zlata – mikrostrukturu perlitnog sivog

liva sa ravnomerno raspoređenim grafitom u metalnoj matrici. Specifični uticaj grafitnih lamela ogleda se u sniženju nosećeg poprečnog preseka metalne

osnove i u zareznom delovanju. Lamele grafita nepovoljno utiču na svojstva sivog liva, a prvenstveno na žilavost, jer presecaju metalnu osnovu čime smanjuju otpornost prema udarnom opterećenju. Stoga je sadržaj ugljenika u sivom livu ograničen na 4%.

a) b) Slika 6. Mikrostruktura kalupa za livenje zlata – mikrostruktura perlitnog sivog livenog

gvožđa. (a) Nenagrižen uzorak da bi se naglasili oblik i raspodela grafitnih lamela. (100x). (b) Nagrižen uzorak nitalom da bi se pokazao perlit u osnovi. (100x).

Meki grafit nije u stanju da prenese znatnije napone. Pri mehaničkom naprezanju linije

napona koje prolaze kroz metal moraju usled toga da zaobilaze grafitne lamele, pri čemu se noseći presek metalne osnove smanjuje za 50% i više. Osim toga, na krajevima grafitnih lamela usled zakretanja i zbijanja linija sila dolazi do stvaranja lokalnih maksimuma napona u metalnoj osnovi, tzv. napona na zarezima, koji prouzrokuju niske udarne osobine sivog liva. Na osnovu ovoga proizilazi da su bitno povoljniji za mehaničke osobine sivog liva kratki, kompaktni ili loptasti oblici, nego velike grafitne lamele sa razvijenom površinom (Slika 7.). Grafit Grafit

Slika 7. Naponsko stanje zategnutog uzorka u funkciji položaja i oblika grafita

Grafit izlučen u vidu krupnih lamela može da snizi zateznu čvrstoću mašinskog sivog liva, koja iznosi oko 200 MPa, na 60 – 70 MPa. Najbolje mehaničke osobine zato ima sivi liv sa perlitnom metalnom osnovom u kojoj je grafit izlučen u najfinijoj raspodeli. Ovakav kvalitetni


8

perlitni liv može da se proizvede pri odgovarajućem sadržaju ugljenika (2.8-3.5%) i silicijuma (1.5-3% Si) pregrevanjem i brzim hlađenjem rastopa.

Odlivci od sivog liva imaju nisku tvrdoću, malu zateznu čvrstoću, ali 3-5 puta veću čvrstoću na pritisak. To je zato što napone zatezanja prenosi samo metalna osnova, a ne i lamele grafita, dok pri dejstvu pritiska i one učestvuju u raspodeli napona. Krupne grafitne lamele, sa svoje strane, dovode do gubitka nepropustljivosti sivog liva za gasove, pošto molekuli gasa mogu da prolaze kroz grafit. U prisustvu kiseonika može da dođe pri tom do oksidacije metalne osnove u okolini grafitnih lamela i do stvaranja sloja FeO, što dovodi do razaranja materijala.

Najbolju otpornost prema habanju ima pak sivi liv sa perlitnom metalnom osnovom, višim sadržajem fosfora (≈ 1% P) i krupnim grafitnim lamelama.

U pozitivne osobine sivog liva spadaju: relativno jeftina proizvodnja, dobra livkost, dobra mašinska obradljivost odlivaka i otpornost na abraziju. Sem toga, unutrašnje grafitne lamele čine da sivi liv dobro prigušuje oscilacije (deluju kao amortizer pri udarnom ili naizmenično-promenljivom opterećenju). Sivi liv ima i dobre klizne osobine jer grafit deluje kao mazivo, otporan je prema habanju i koroziji, dobro se obrađuje rezanjem, dobro provodi toplotu i prigušuje vibracije. Antifrikcione osobine su određene odnosima perlita i ferita u metalnoj matrici, kao i količinom i oblikom grafita. Za veća opterećenja traži se bar 85% perlita u metalnoj osnovi.

Mana odlivaka od sivog liva je velika osetljivost na sve vrste koncentratora napona (površinske pukotine, nagle promene preseka, zarezi). To se umanjuje konstrukcionim merama (radijusi zaobljenja), metalurškim metodama (modifikacija) i termičkom obradom (smanjenje zaostalih napona).

U cilju usitnjavanja grafita, to znači popravljanja strukturnih i mehaničkih osobina, vrši se modifikacija livenog gvožđa. Modifikacija se zasniva na tome da se rastopljenom livenom gvožđu, dodaje grafitizacioni modifikator (inokulant). Kao modifikatori najčešće se koriste fero-silicijum (Fe-Si) ili silikokalcijum (Si-Ca). Ovaj tretman omogućuje da se kod odlivaka različite debljine zidova dobije perlitna struktura u kojoj su ravnomerno raspoređene i međusobno izolovane grafitne lamele srednje veličine. Modifikaciji se podvrgavaju livena gvožđa sa relativno malim sadržajem C (2.8-3.3%) i Si (1.1-1.5%), koja bi bez inokulanata imala strukturu meliranog liva (ledeburit, perlit i grafit). Prednosti modifikovanog sivog liva u odnosu na sivi liv su veća zatezna čvrstoća i tvrdoća i povećana otpornost na habanje.

U cilju smanjenja unutrašnjih naprezanja, poboljšanja fizičkih i mehaničkih svojstava i povećanja obradivosti, vrši se termička obrada sivog liva . U tom cilju odlivci se 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 veličine odlivka. Hlađenje posle žarenja mora da bude sporo što se izvodi zadržavanjem odlivka u peći dok se zajedno ne ohlade do sobne temperature (Režim termičke obrade odlivaka od sivog liva- Slika 8). Na ovaj način snižava se nivo zaostalih napona za 80-90%. Koristi se i prirodno starenje za smanjenje napona u odlivcima. To se postiže držanjem odlivaka u skladištu livnice u trajanju od 6 do 10 meseci.

Za poboljšanje fizičko-mehaničkih svojstava odlivci od sivog liva se podvrgavaju kaljenju, otpuštanju, normalizaciji ili starenju. U cilju pravilnog izbora parametara termičke obrade koristi se TTT-dijagram transformacije austenita u livenom gvožđu (Slika 9).


9

Slika 8. Termička obrada odlivaka od sivog liva Žarenje i hlađenje u peći stvara meku feritnu matricu. Normalizacija i hlađenje na

vazduhu stvara perlitnu matricu. Liveno gvožđe se može kaliti i poboljšati da bi se proizveo beinit ili može biti gašeno u martenzit, a zatim poboljšano. Kaljen i poboljšan žilavi (nodularni) liv odlikuje se čvrstoćom i do 1380 MPa. Nodularni liv je visokokvalitetno sivo liveno gvožđe sa grafitom zrnastog (nodularnog, sfernog) oblika, ravnomerno raspoređenim u metalnoj matrici.

Slika 9. TTT-dijagram transformacije austenita u livenom gvožđu

Loptasti oblik grafita postiže se uvođenjem u prethodno desumporisani rastop male količine magnezijuma (u metalnom obliku ili u obliku legure sa Cu ili Ni) i zatim modifikacijom. Time se zadržavaju dobre livne osobine kao kod sivog liva, uz neuporedivo bolje mehaničke osobine. Mehaničke osobine nodularnog liva određene su različitom metalnom matricom koja može biti: feritna (Rm = 370–400 MPa, Rp = 230–250 MPa, A5 = 12–17 %, HB = 140–200), feritno-perlitna (Rm = 500 MPa, Rp = 320 MPa, A5 = 7 %, HB = 170–240) i perlitna (Rm = 700 MPa, Rp = 420 MPa, A5 = 2 %, HB = 230–300).

Log vreme

Tem

pera

tura

(0 C) Fpočetak

Bpočetak

Fkraj

Bkraj Mpočetak

Mkraj

γu Ppočetak Pkraj

γ → α + Fe3C

γ → α + grafit

Otpuštanje α+ grafit

Kaljenje + popuštanje beinit + grafit

Normalizacija perlit + grafit

Kaljenje martnzit + grafit


10

Slika 10. Mikrostruktura kalupa za livenje zlata – mikrostruktura nodularnog livenog gvožđa; nodularni liv sa perlitno-feritnom osnovom. Nagrižen uzorak nitalom. (500x).

5. Rukovanje. Izdržljivost kokila zavisi od vrste materijala i od načina rukovanja. Tako,

kokile od sivog liva izdržavaju 60 do 600 livenja, a kokile od legiranog sivog liva do 1000 livenja. Bakarne kokile izdržavaju još veći broj livenja, ukoliko se njima pravilno rukuje. Grafitne kokile su se pokazale izuzetno dobre, ali pod uslovom da nema sagorevanja grafita. Najefikasnija primena grafitnih kokila je pri livenju u vakuumu.


11

4.0 ZAKLJUČAK

Na osnovu ukupnog sagledavanja i analize strukture i svojstava različitog materijala za izradu kokila ovim tehničkim rešenjem prednost je data sivom livu sa perlitnom metalnom osnovom. Sivi liv ili liveno gvožđe sa lamelarnim grafitom, je liveni materijal u kome je grafit izdvojen u vidu lamela, različitih veličina i oblika. Oblik nastalih lamela zavisi od brzine hlađenja i sastava liva (primese i legirajući elementi). Primer mogućnosti dizajniranja osobina materijala kontrolisanjem njihove mikrostrukture potvrđuje se kod livenih gvožđa. Oblik i struktura lamela mogu se menjati modifikovanjem sivog liva i naknadnom termičkom obradom.

Najbolje mehaničke osobine ima sivi liv sa perlitnom metalnom osnovom u kojoj je grafit izlučen u najfinijoj raspodeli. Ovakav kvalitetni prelitni sivi liv, minimalne zatezne čvrstoće Rm = 300–400 MPa i maksimalne tvrdoće 250–280 HB, može da se proizvede pri odgovarajućem sadržaju ugljenika (2.8–3.5%) i silicijuma (1.5–3%) pregrevanjem i brzim hlađenjem rastopa.

Grafit izlučen u vidu krupnih lamela može da snizi zateznu čvrstoću mašinskog sivog liva, koja iznosi oko 200 MPa, na 60 – 70 MPa. Krupne grafitne lamele, sa svoje strane, dovode do gubitka nepropustljivosti sivog liva za gasove, pošto molekuli gasa mogu da prolaze kroz grafit. U prisustvu kiseonika može da dođe pri tom do oksidacije metalne osnove u okolini grafitnih lamela i do stvaranja sloja FeO, što dovodi do razaranja materijala.

U cilju usitnjavanja grafita, a to znači popravljanja strukturnih i mehaničkih osobina, vrši se modifikacija sivog livenog gvožđa. Modifikacija se sastoji u tome da se rastopljenom livenom gvožđu, dodaje grafitizacioni modifikator (inokulant). Kao modifikatori koriste se ferosilicijum (Fe-Si) ili silikokalcijum (Si-Ca). Ovaj tretman omogućuje da se kod odlivaka različite debljine zidova dobije perlitna struktura u kojoj su ravnomerno raspoređene i međusobno izolovane grafitne lamele srednje veličine. Modifikaciji se podvrgavaju livena gvožđa sa relativno malim sadržajem C (2.8-3.3%) i Si (1.1-1.5%), koja bi bez inokulanata imala strukturu meliranog liva (ledeburit, perlit i grafit). Prednosti modifikovanog sivog liva u odnosu na sivi liv su veća zatezna čvrstoća i tvrdoća i povećana otpornost na habanje.

Radi smanjenja unutrašnjih naprezanja, stabilizacije dimenzija, poboljšanja fizičkih i mehaničkih svojstava i povećanja obradivosti, vrši se termička obrada sivog liva žarenjem pri 500-570ºC. Hlađenje posle žarenja mora da bude sporo što se izvodi zadržavanjem odlivaka u peći, dok se zajedno ne ohlade do sobne temperature. Na ovaj način snižava se nivo zaostalih napona za 80-90%.

Radi postizanja bolje otpornosti prema habanju, abraziji i koroziji sivi liv se može i legirati. Kokile od sivog liva izdržavaju 60 do 600 livenja, a kokile od legiranog sivog liva izdržavaju do 1000 livenja. Izdržljivost kokila za livenje zlata i plemenitih metala zavisi od vrste materijala i od načina rukovanja.


12

5.0 PODRŠKA TEHNIČKOM REŠENJU

1. Studija - Ispitivanje strukture materijala kalupa za livenje zlata i metalografska analiza, br. VIII/3-1486 od 26. 12. 2011. godine Investitor: DOO TIR Bor – Fabrika za proizvodnju plemenitih metala Izvršilac: Tehnički fakultet Bor Rukovodilac: Prof. dr Svetlana Ivanov, Tehnički fakultet Bor Istraživači saradnici: Prof. dr Dragoslav Gusković, mr Bata Marjanović, mr Ivana Marković, Vinko Bogdanović, Ljubiša Radojković, Tehnički fakultet Bor.

2. D. Gusković, D. Marković, S. Ivanov, S. Nestorović, M. Mirić, Effect of Deformation

Degree on Widening of Gold Wire, 15th International Research/Expert Conference “Trends in the Development of Machinery and Associated Technology“ (TMT 2011), Praque, Czech Republic, 12-18 September 2011, Proceedings, pp. 713-716.

3. M. Mirić, D. Gusković, S. Ivanov, S. Marjanović, S. Mladenović. The influence of rolling

and drawing on properties of gold strips and tubes for jewelry, Metalurgia International, 18 (3) (2013) (In Press)

4. L. Stuparević, D. Marković, D. Gusković, B. Stanojević, S Ivanov, The influence of

thermomechanical deformation regime to gold alloys structure and properties, Journal of Mining and Metallurgy, 28 (1) (1992) 85-98.

5. S. Nestorović, I. Marković, D. Gusković, Lj. Ivanić, D. Marković, The Influence of

Temperature on the Anneal Hardening Effect in a Cast Cu-4at%Au Alloy, 12 th International Foundrymen Conference, Sustainable Development and Technologies, Opatija, Croatia, 24-25 May 2012, Proceedings book CD with full papers, p. 328-338.

6. I. Marković, S. Nestorović, D. Gusković, Lj. Ivanić, The Influence of Deformation

Degree on the Anneal Hardening Effect in a Cast Cu-4at%Au Alloy, 16 th International Research/Expert Conference ,,Trends in the Development of Machinery and Associated Technology'', TMT 2012, Dubai, UAE, 10-12 September 2012, Proceedings, p 163-166.

7. S. Nestorović, I. Marković, D. Gusković, Lj. Ivanić, D. Marković, Influence of

Thermomechanical Treatment on the Properties of a Cast Copper-Gold Alloy, 44th International October Conference on Mining and Metallurgy, Bor, Serbia, 1-3 October 2012, Proceedings, p 383-388.

Univerzitet u Beogradu TEHNIČKI FAKULTET U BORU

-Nastavno naučnom veću- 19210 BOR

Ulica Vojske Jugoslavije broj 12 Predmet:

Mišljenje recenzenta-eksperta o tehničkom rešenju pod naslovom


Čiji su autori:

Prof. dr Svetlana Ivanov, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet u Boru Prof. dr Dragoslav Gusković, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet u Boru Prof. dr Ljubica Ivanić, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet u Boru Prof.dr Svetlana Nestorović, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet u Boru Doc. dr Srba Mladenović, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet u Boru Mr Bata Marjanović, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet u Boru Mr Ivana Marković, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet u Boru

Tehničko rešenje je urađeno u okviru Projekta TR 34003, po programu za

tehnološki razvoj, oblast Materijali i hemijske tehnologije, a pod naslovom: OSVAJANJE PROIZVODNJE LIVENIH LEGURA SISTEMA BAKAR-ZLATO, BAKAR-SREBRO, BAKAR-PLATINA, BAKAR-PALADIJUM I BAKAR-RODIJUM POBOLJŠANIH SVOJSTAVA PRIMENOM MEHANIZMA OJAČAVANJA ŽARENJEM

Projekat je finansiran od strane Ministarstva za nauku i tehnološki razvoj Republike Srbije za period 2011-2014. godina, a rukovodilac projekta je prof. dr Svetlana Nestorović, dipl. inž. metalurgije.

Obrazloženje:

Odlukom Nastavno-naučnog veća Tehničkog fakultet u Boru, donetoj na sednici

održanoj 02. 02. 2012. godine, određena sam za recenzenta pomenutog tehničkog rešenja, pa u skladu sa tim, dajem svoje mišljenje, a na osnovu dostavljene dokumentacije.

Osnovni podaci o Tehničkom rešenju: -ukupan broj stranica 12 -broj skica 10 -urađeno u skladu sa Pravilnikom o postupku i načinu

vrednovanja i kvantitativnom iskazivanju naučno-istraživačkih rezultata (SG RS broj 38/2008)

Tehničko rešenje je obrađeno kroz pet poglavlja, i to: 1.0.-UVOD 2.0.-CILJ I ZNAČAJ TEHNIČKOG REŠENJA 3.0.-SUŠTINA, OPIS I KARAKTERISTIKE TEHNIČKOG REŠENJA 4.0.-ZAKLJUČAK 5.0.-PODRŠKA TEHNIČKOM REŠENJU Osnovni cilj ovog tehničkog rešenja je da se utvrđivanjem korelacije strukture i

osobina izvrši optimizacija uslova prerade i oblikovanja materijala za izradu kokila za livenje zlata i drugih plemenitih metala, sa odgovarajućim performansama u eksploataciji, radi dobijanja kvalitetnih odlivaka sa pogodnom homogenom strukturom i optimalnim fizičko-mehaničkim osobinama.

Odgovarajuće osobine odlivaka moguće je dobiti pri određenom temperaturno-brzinskom režimu livenja koji određuje uslove pri kojima će brzina livenja biti jednaka brzini kristalizacije, što će dati ujednačenu sitnozrnastu strukturu odlivka sa homogenim hemijskim sastavom, bez zonalne likvacije, prisustva gasnih šupljina, usahlina ili lunkera.

Prema tehničkom rešenju, glavni faktori na koje treba usmeriti pažnju pri izradi kokila za dobijanje kvalitetnih odlivaka od zlata i drugih plemenitih metala, a koji određuju sposobnost odvođenja toplote od zalivenog metala i utiču na zapreminsku zonu kristalizacije, usmerenost fronta kristalizacije, period kristalizacije, gustinu odlivka, disperznost strukture i likvaciju su: dimenzije kokile, masa kokile, optimalna temperatura kokile, materijal za izradu kokile.

Na osnovu ukupnog sagledavanja i analize svojstava i strukture različitog materijala za izradu kokila, ovim tehničkim rešenjem, prednost je data sivom livu sa perlitnom metalnom osnovom. Najbolje mehaničke osobine ima sivi liv sa perlitnom metalnom osnovom u kojoj je grafit izlučen u najfinijoj raspodeli. Ovakav kvalitetni prelitni sivi liv, minimalne zatezne čvrstoće Rm = 300–400 MPa i maksimalne tvrdoće 250–280 HB, može da se proizvede pri odgovarajućem sadržaju ugljenika (2.8–3.5%) i silicijuma (1.5–3%) pregrevanjem i brzim hlađenjem rastopa.

Oblik i struktura lamela mogu se menjati modifikovanjem sivog liva i naknadnom termičkom obradom. Grafit izlučen u vidu krupnih lamela može da snizi zateznu čvrstoću mašinskog sivog liva, koja iznosi oko 200 MPa, na 60 – 70 MPa. U cilju usitnjavanja grafita, a to znači popravljanja strukturnih i mehaničkih osobina, vrši se modifikacija sivog livenog gvožđa. Kao modifikatori koriste se ferosilicijum (Fe-Si) ili silikokalcijum (Si-Ca).

Radi smanjenja unutrašnjih naprezanja, stabilizacije dimenzija, poboljšanja fizičkih i mehaničkih svojstava i povećanja obradivosti, vrši se termička obrada sivog liva žarenjem pri 500-570ºC. Na ovaj način snižava se nivo zaostalih napona za 80-90%.

Izdržljivost kokila za livenje zlata i plemenitih metala zavisi od vrste materijala i od načina rukovanja. Kokile od sivog liva izdržavaju 60 do 600 livenja. Radi postizanja bolje otpornosti prema habanju, abraziji i koroziji sivi liv se može i legirati, tako da kokile od legiranog sivog liva izdržavaju do 1000 livenja.

Predloženo tehničko i razvojno rešenje je originalno kako u pogledu izbora materijala za izradu kokila za livenje, tako i u pogledu njegove praktične primene u osvajanju proizvodnje livenih legura sistema Cu-Au, Cu-Ag, Cu-Pt i dr. poboljšanih

Univerzitet u Beogradu TEHNIČKI FAKULTET U BORU Nastavno-naučnom veću

Predmet: Izveštaj recenzenta o tehničkom rešenju

Odlukom Nastavno-naučnog veća Tehničkog fakulteta u Boru br. VI/4-20-6-l od

02.02.2012. godine, imenovan sam za recenzenta tehničkog rešenja ”Poboljšanje svojstava materijala za izradu kokila za livenje zlata i drugih plemenitih metala”

Autora: Prof. dr Svetlane Ivanov, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet Bor Prof. dr Dragoslava Guskovića, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet Bor Prof. dr Ljubice Ivanić, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet Bor Prof. dr Svetlane Nestorović, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet Bor Doc. dr Srbe Mladenovića, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet Bor Mr Bate Marjanovića, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet Bor Mr Ivane Marković, dipl. inž. metalurgije, Tehnički fakultet Bor Na osnovu predloga ovog tehničkog rešenja podnosim sledeći

I Z V E Š T A J

Tehničko rešenje „Poboljšanje svojstava materijala za izradu kokila za livenje zlata i drugih plemenitih metala “ autora: Prof. dr Svetlane Ivanov, Prof. dr Dragoslava Guskovića, Prof. dr Ljubice Ivanić, Prof. dr Svetlane Nestorović, Doc. dr Srbe Mladenovića, Mr Bate Marjanovića i Mr Ivane Marković prikazano je na 12 stranica kucanog teksta formata A4, sadrži 1 tabelu i 10 slika. Sastavljeno je od sledećih poglavlja:

1. Uvod 2. Cilj i značaj tehničkog rešenja 3. Suština, opis i karakteristike tehničkog rešenja 4. Zaključak 5. Podrška tehničkom rešenju

Tehničko rešenje pripada oblasti Materijali i hemijske tehnologije, a realizovano je u okviru

rada na projektu TR 34003 pod naslovom „Osvajanje proizvodnje livenih legura sistema bakar-zlato, bakar-srebro, bakar-platina, bakar-paladijum i bakar-rodijum poboljšanih svojstava primenom mehanizma ojačavanja žarenjem” Ministarstva prosvete, nauke i tehnološkog razvoja Republike Srbije za period od 2011-2014. godine, a pod rukovodstvom prof. dr Svetlane Nestorović, dipl. inž. metalurgije.

U uslovima savremene livničke proizvodnje kokila za livenje zlata i drugih plemenitih

metala cilj je potpuno zadovoljiti raznovrsne zahteve, kako u pogledu sastava, strukture i mehaničkih svojstava, tako i u pogledu mase, kvaliteta površine kokila i njihovog životnog veka. Kokila ne sme da ima nedostatke koji bi ograničili njenu upotrebu. Nezadovoljavajući kvalitet kokile može dovesti do proboja kokila pri livenju, što značajno produžuje vreme procesa livenja i

tehni ki fakultet u boru - tfbor.bg.ac.rs · pdf filepoboljšanje svojstava materijala...

Documents