thumb|Litje železa Želézova lítina (tudi líto želézo) je zlitina železa z ogljikom, pri čemer je vsebnost ogljika večja od 2 %; navadno med 2 in 4 %. Pomemben zlitinski element je tudi silicij.
Uvod
Zlitine železo-ogljik so pomembne tehnične zlitine. Vsebujejo nad 90 % Fe, 0,1 do 4 % C ter različne količine silicija, mangana, fosforja in žvepla. Če ima surovo železo več kot 2 % ogljika, dobimo zlitine z evtektikom. Železove zlitine z evtektikom se lahko strjujejo po stabilnem ali metastabilnem diagramu Fe-C. Pod vplivom določenih elementov, zlasti Si, se lahko meja med jeklom in litino premakne proti železovemu kotu diagrama. Železove zlitine z evtektikom (pri 4,3 % C) se lahko strdijo po stabilnem sistemu, kar pomeni, da se ogljik izloči v obliki grafita (evtektik = avstenit + grafit). Lahko pa se strdijo po metastabilnem sistemu, tedaj je ogljik vezan na železo kot Fe3C (ledeburitni evtektik). V litinah z ledeburitnim evtektikom je mogoče s toplotno obdelavo naknadno doseči razpad cementita in izločanje grafita.
Delitev železovih litin
Železove litine delimo na sivo, belo(trdo litino), temprano,... Prelom bele litine je bel, ker je cementit Fe3C bele barve, medtem ko je prelom sive litine zaradi izločenega grafita siv. V melirani litini je del ogljika vezan v obliki cementita, del pa je izločen kot grafit.
Siva litina
Od vseh vrst litin je najbolj razširjena siva litina. Izdelamo jo iz sivega grodlja tako, da ga ponovno pretaljujejo v posebnih pečeh (kupolkah, plamenicah...). Ima siv prelom, zaradi tega ker je ogljik izločen v obliki grafita. Običajno vsebuje: 2,7-4,2 % C, 0,5-3,5 % Si, do 1,3 % Mn, do 1 % P in 0,04-0,15 % S. Legirana siva litina pa lahko vsebuje še naslednje elemente: Cr, Ni, Mo, V, Ti, Cu, s katerimi dosežemo posebne lastnosti.
Siva litina je eden izmed najbolj razširjenih konstrukcijskih materialov, ker je cenena in ima uporabne tehnološke in mehanske lastnosti. Njene lastnosti so odvisne od mikrostrukture, ki pa je lahko odvisna od kemične sestave, načina taljenja in pogojev strjevanja:
siva feritna litina (ferit + grafit) - 0 % C vezanega v Fe3C siva feritno-perlitna litina (ferit + perlit + grafit), 0 do 0,80 % C vezanega v Fe3C siva perlitna litina (perlit + grafit) - 0,80 % C vezanega v Fe3C melirana litina (perlit + cementit + grafit) - >0,80 % C vezanega v Fe3C bela (trda) litina (perlit + cementit) - ves ogljik je vezan v Fe3C.
Pri sivi litini poteka tako strjevanje kot premene v trdnem stanju skladno s stabilnim diagramom Fe3C, medtem ko npr. v perlitni litini strjevanje poteka skladno s stabilnim, evtektoidna reakcija pa z metastabilnim diagramom.
Na lastnosti sive litine ima največji vpliv oblika in razporeditev grafita. Ogljik od vseh elementov najbolj vpliva na lastnosti sive in bele litine. Nastopa lahko v dveh oblikah, ki dajeta litini nasprotne lastnosti. Cementit (Fe3C) poveča trdoto ter poslabša obdelovalnost. Grafit, ki se izloči iz litine med strjevanjem ali pa pri žarjenju litine pa da litini obdelovalnost in dušilnost. Če je v sivi litini več kot 35 % ogljika vezanega v cementitu, se močno zmanjša obdelovalnost sive litine.
Na izločanje grafita v litini vpliva kemična sestava, način strjevanja ter obdelava taline. Važna je količina ogljika in silicija v talini: čim več ga je, tem več grafita se izloči in tem večje je nagnjenje k povečanju grafitnih lističev. Izločanje grafita se začne na kristalnih kaleh, ki so v talini ali pa se v njej tvorijo.
Grafit je tujek v osnovni strukturi, ki ima minimalno trdnost (20 N/mm2) in zelo majhno trdoto. Grafitni lističi prerežejo jekleno osnovo litine in vplivajo kot zareza. Zato grafit zmanjšuje efektivni nosilni prerez in s tem trdnost litine.
Grafit ima običajno obliko lusk oziroma lističev. Njegovo zmanjševanje trdnosti je tem večje, čim večje so grafitne luske in čim večje je število teh lusk v mikrostrukturi. Tehnično čisto železo ima Rm 200-250 N/mm2. Ta trdnost raste z rastočo količino ogljika in doseže največjo vrednost pri evtektoidni sestavi (800 N/mm2). Nato se začne polagoma zmanjševati. Siva litina s 3 % ogljika ima trdnost le še 120-300 N/mm2, ker se zmanjša nosilni prerez litine in poveča zarezni učinek zaradi neenakomerne velikosti in porazdelitve grafita. Trdnost sive litine se občutno poveča, če so grafitne luske majhne. V idealnem primeru ima grafit obliko kroglic, ki najmanj zmanjšujejo efektivni prerez. Litina s kroglastim grafitom (nodularna litina) ima zato najboljšo natezno trdnost, ki se približuje trdnosti jekla. Pogoja za izdelavo kakovostne sive litine sta torej: zmanjšanje količine ogljika in grafita ter ugodna oblika in razporeditev grafita v litini.
Grafit ocenjujemo po obliki, razvrstitvi in velikost. Po razvrstitvi lamelnega grafita ločimo pet osnovnih razredov:
enakomerno porazdeljen (majhni in številni lističi - evtektski grafit) v obliki rozet lamelni grafit (nadevtektski) - srednje grobe luske mrežasti grafit fini mrežasti grafit
Po velikosti ločimo osem razredov, ki jih označujemo s številkami od 1 do 8. V razredu 1 so lističi velikost > 1 mm, v razredu 8 so lističi manjši od 0,015 mm.
Na oblikovanje grafita v sivi litini vplivajo: kemična sestava, temperatura taline, žlindra pri taljenju, dodatki pred litjem, pogoji litja in strjevanja.
Silicij je poleg ogljika najvažnejši element v litini, saj zmanjša topnost za ogljik ter potisne črti C'D' in S'E' v diagramu Fe-C v levo. Silicij torej pospešuje izločanje grafita v sivi litini. Zaradi tega zmanjša tudi natezno trdnost sive litine. Vendar je silicij nenadomestljiv, ker omogoča dobro livnost in obdelovalnost.
Pri enaki vsebnosti ogljika narašča z deležem silicija delež grafita. Zato moramo imeti v kvalitetni litini čim manj silicija, vendar do določene spodnje meje, sicer se litina strdi belo. Potrebna količina silicija, ki zagotovi sivo strjevanje je obratno sorazmerna debelini sten ulitkov. Pri 3,5 % silicija se tudi najtanjše stene sive litine strdijo sivo. Če je silicija več kot 3,5 %, se tvori grafit v zelo grobih luskah. Pri 4,56 % Si se zmanjša topnost silicija v avstenitu in znaša praktično nič odstotkov. Litina ima v takem primeru ves ogljik izločen kot grafit in osnovno maso feritno. Trdota se zmanjšuje z rastočim deležem silicija. Silicij pospešuje izločanje grafita in razpad cementita.
Mangana je v litini med 0,4-1,4 %. Mangan veže žveplo v MnS - torej razžvepla talino. Mangan stabilizira cementit. Z ogljikom tvori obstojen karbid Mn3C, ki tvori kompleksne spojine za Fe3C ter zadržuje razpad cementita. Zaradi tega ima litina boljše mehanske lastnosti. Tudi žveplo v obliki MnS ne poslabša mehanskih lastnosti litine.
Fosfor je v železu lahko raztopljen, delno pa se veže v krhki železov fosfid Fe3P, ki lahko tvori trd in krhek fosfidni evtektik (pri ~950 °C). Pod vplivom fosforja se linija C'D' pomakne v levo. Z do 0,4 % P se poboljšajo trdnostne lastnosti, nad 0,4 % pa močno poslabša žilavost, poveča pa trdoto in odpornost proti obrabi. Fosfor izredno poveča tekočnost in livnost litine. Za tankostenske ulitke je torej nujno potrebna določena količina P (radiatorji iz sive litine, umetniška litina)
Žveplo je v železu netopno. Če je premalo mangana se veže v FeS, drugače pa v MnS. Kot FeS tvori z železom evtektik pri 987 °C. Ta se izloča ob kristalnih mejah ter močno zmanjša trdnostne lastnosti. Žveplo zadržuje izločanje grafita in pospešuje tvorbo karbida. Zato je žveplo vzrok nastajanja trdih mest v sivi litini, kar preprečuje obdelavo z odrezovanjem. Žveplo povzroča, da je železo gosto tekoče, poveča nagnjenje k pokanju, pospešuje poroznost pri litju. Žveplo v sivi litini ne sme presegati vrednosti 0,15 %. Razmerje Mn:S mora biti minimalno 3,5:1, da je vse žveplo vezano v MnS.
Siva litina je večkrat legirana še z drugimi elementi. Govorimo o legirani sivi litini. Za legiranje pridejo v poštev naslednji elementi: Ni, Cr, Mo, V, Ti.
Nikelj pospešuje tvorbo grafita. Pri 3 do 6 % Ni nastaja pri ohlajanju martenzit in ne perlit. Pri legiranju niklja moramo paziti na pravilno razmerje Ni:Si in Ni:Cr. Pri pravilnem razmerju nikelj poboljša trdnost, trdoto, žilavost, odpornost proti obrabi in obdelovalnost.
Krom pospešuje tvorbo karbidov. Grafit je z dodatkom kroma porazdeljen v finejši obliki. Krom poveča trdoto, trdnost, obrabno obstojnost, trdnost pri povišani temperaturi, korozijsko odpornost in toplotno obstojnost. Ločimo malolegirano litino s ~3 % Cr in močno legirano z višjo vsebnostjo kroma.
Molibden zmanjšuje vpliv debeline sten na mikrostrukturo. Pospešuje nastanek drobnozrnate mikrostrukture. Izboljša trdnost pri povišani temperaturi, trdoto in odpornost proti obrabi.
Vanadij in titan legiramo jeklu do 0,3 %. Značilno za ta dva elementa je, da pospešujeta tvorbo finejšega grafita.
Mikrostruktura sive litine
Odvisna je v glavnem od količine in razmerja ogljika in silicija ter debeline sten ulitkov. Za to obstajajo matematični in grafični prikazi. Za oceno vpliva kemične sestave uporabljamo razmerje med dejansko količino ogljika in evtektično koncentracijo ogljika. To razmerje imenujemo stopnja nasičenosti. V tehničnih zlitinah se premakne evtektična točka pod vplivom dodanih elementov. Silicij in fosfor v levo, mangan in žveplo stabilizirata cementit. Če upoštevamo vpliv vseh elementov, pridemo do naslednjega izraza:
Pri tem izrazu se upošteva, da je mangan delno vezan z žveplom. Pri tem velja: SC = 1: evtektična sestava SC < 1: podevtektična sestava SC > 1: nadevtektična sestava
Grafit se lahko v litini pojavlja kot: nadevtektski grafit, evtektski grafit, sekundarni grafit, evtektoidni grafit. V območju tehniških zlitin nas zanima le evtektski grafit. Za nastanek grafita pri strjevanju obstajajo tri možnosti: grafit lahko nastane neposredno iz taline grafit nastane z razpadom cementita, grafit nastane iz taline in razpadom cementita
Zaradi različne hitrosti ohlajevanja dobimo v različno debelih stenah pri isti sestavi različno mikrostrukturo. Če ima ulitek tanke stene (velika hitrost ohlajevanja), bo pri isti sestavi več ogljika vezanega na cementit, v debelih stenah pa se izloči več grafita. Tisti elementi, ki pospešujejo izločanje grafita, povečajo tudi vpliv debeline sten (Si, P).
Kakšno kemično sestavo je potrebno izbrati, da se pri ulitku z določeno maso ali določeno hitrostjo ohlajevanja doseže zahtevana mikrostruktura, kaže Maurerjev diagram. Ta diagram je bil izdelan za palice premera 30 mm ulite v suhe forme. Diagram prikazuje, kdaj se strdi litina belo, perlitno oz. feritno kot posledica vsebnosti silicija in ogljika v sivi litini.
Značilno za ta diagram je razširjanje perlitnega polja pri nižjih koncentracijah ogljika. Ostali elementi so bili v predpisanem območju. V tem diagramu Maurer ni upošteval vpliva hitrosti ohlajanja.
Greiner in Klingenstein sta skušala v diagram uvesti še vpliv hitrosti ohlajevanja. Za diagram kaže odvisnost mikrostrukture sive litine od vsote C + Si in debeline stene. Značilna je zožitev perlitnega polja pri okoli 5 % C + Si. Pri nižji skupni vsebnosti je mikrostruktura manj odvisna od debeline stene in hitrosti strjevanja ulitka.
Coyle je v svojem diagramu prikazal odvisnost mehanskih lastnosti od razmerja C:Si. Razvidno je, da se dosegajo najvišje trdnostne lastnosti pri nizkem % C in Si v perlitnem delu Maurerjevega diagrama.
Našteti diagrami omogočajo v praksi, da s pomočjo sestave in hitrosti hlajenja dosegamo potrebne lastnosti ulitkov.
Karakteristične lastnosti sive litine
Te so naslednje: slabša natezna in zelo dobra tlačna trdnost, slaba žilavost, dobra livnost, dobra obdelovalnost in dušilnost.
Mehanske lastnosti