Ocena kształtu wydziele grafitu w eliwie sferoidalnym metod ATD

Transkrypt

1 AMME th Ocena kształtu wydziele grafitu w eliwie sferoidalnym metod ATD M. Stawarz, J. Szajnar Zakład Odlewnictwa, Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika lska Gliwice, ul. Towarowa 7, Polska W artykule przedstawiono ocen kształtu wydziele grafitu sferoidalnego w oparciu o metod analizy termiczno derywacyjnej (ATD) i metod komputerowej analizy kształtu wydziele grafitu. Do opisu kształtu wydziele grafitu zastosowano współczynnik kształtu C. Uzyskane wyniki z analizy ATD oraz z analizy kształtu wydziele grafitu zostały poddane analizie statystycznej. Na podstawie analizy statystycznej uzyskano zalenoci, które pozwalaj na okrelenie kształtu wydziele grafitu w oparciu o charakterystyczne punkty krzywych ATD. 1. WSTP eliwo sferoidalne jest tworzywem o bardzo duym zrónicowaniu właciwoci mechanicznych w zalenoci od liczby i wielkoci wydziele grafitu, jak równie od rodzaju osnowy, dlatego w ostatnim dziesicioleciu produkcja odlewów z eliwa sferoidalnego wykazywała tendencje wzrostowe. Wraz ze wzrostem produkcji odlewów z eliwa sferoidalnego powstał problem skutecznego sposobu oceny jakoci tego eliwa. Metoda oceny kształtu wydziele grafitu w oparciu o metod ATD ma niewtpliwie bardzo wan zalet w porównaniu z innymi metodami oceny eliwa sferoidalnego. Jest to metoda, która pozwala na szybk ocen jakoci eliwa w kadzi odlewniczej, przed zalaniem do formy. Uzyskane wyniki z analizy ATD mog posłuy bezporednio do zabiegów poprawiajcych jako ciekłego metalu w kadzi odlewniczej i w zwizku z tym uzyskanie odlewów o podanym kształcie wydziele grafitu i wymaganych właciwociach mechanicznych stawianych przez odbiorc surowym odlewom. Taki sposób produkcji odlewów z eliwa sferoidalnego w powizaniu z ocen eliwa metod ATD pozwala na bardziej dokładne sterowanie właciwociami gotowego odlewu i przez to ogranicza do minimum przypadkowo w produkcji odlewów

2 832 M. Stawarz, J. Szajnar 2. PRZEBIEG I WYNIKI BADA W badaniach wykorzystano 11 wytopów eliwa sferoidalnego gatunku ZsCu1. Do rejestracji krzywych ATD zastosowano zestaw aparatury Crystaldigraph. Stanowisko badawcze przedstawiono na rysunku 1. System rejestracji komputerowej Przetwornik analogowo - cyfrowy Próbnik pomiarowy ATD - S Rys. 1. Schemat stanowiska pomiarowego 2.1. Okrelenie składu chemicznego eliwa Analiza chemiczna została przeprowadzona na spektrometrze BAIRD SCL 16. redni skład chemiczny dla 11 wytopów przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. redni skład chemiczny C Mn Si P 3,58 0,46 2,69 0,048 0,014 0,09 0,98 0,062 S Cr Cu Mg 2.2. Badania właciwoci mechanicznych Badania właciwoci mechanicznych przeprowadzono zgodnie z PN-EN Uzyskane rednie wyniki dla badanych próbek zostały zamieszczone w tabeli 2. Tabela 2. rednie właciwoci mechaniczne Rm MPa A 5 HB 747,1 2,5 292,8

3 Ocena kształtu wydziele grafitu w eliwie Analiza termiczno - derywacyjna Krzywa termiczna T = f(t) i krzywa derywacyjna T = dt/dt = f (t) zarejestrowane podczas krzepnicia metalu w próbniku zostały poddane analizie wg schematu przedstawionego na rysunku 2. Analiza ta polegała na okreleniu punktów charakterystycznych znajdujcych si na krzywych. Temperatura [*C] Z A D B E F H I K M 683b Temperatura dt/dt dt/dt [*C/s ] Czas [s] Rys. 2. Krzywe ATD eliwa sferoidalnego -4 Punkty charakterystyczne znajdujce si na krzywej derywacyjnej: Z maksymalna temperatura ciekłego metalu, A temperatura w punkcie A, B temperatura w punkcie B, D temperatura krystalizacji metastabilnej eutektyki (Fe 3 C), E maksymalna szybko podgrzewania metalu wskutek oddziaływania ciepła krystalizacji, F temperatura krystalizacji stabilnej eutektyki, H temperatura koca krystalizacji próbnika,

4 834 M. Stawarz, J. Szajnar I charakterystyczna temperatura w stanie stałym (1050 C) K t H +60 s czas stygnicia próbnika, M t H +90 s czas stygnicia próbnika Analiza stereologiczna wydziele grafitu W celu opisu przestrzennej budowy eliwa sferoidalnego posłuono si analizatorem obrazu MAGISCAN. Ponadto do opisu kształtu wydziele grafitu zastosowano współczynnik kształtu C [1-3], który mona zdefiniowa jako: C = gdzie: O O K W dla warunku: F K = F w gdzie: O K obwód koła, O w obwód wydzielenia grafitu, F K pole powierzchni koła, F w pole powierzchni wydzielenia grafitu. Na rysunku 3 przedstawiono schematycznie kształt grafitu w zalenoci od współczynnika C. Kształt grafitu Kryterium kształtu 'C' Gatunek eliwa b/a = 1 b/a = 2 1 0,9 eliwo sferoidalne b/a = 3 0,8 b/a = 4 b/a = 5 0,72 0,66 eliwo wermikularne Rys. 3. Przykładowy kształt grafitu w zalenoci współczynnika kształtu C

5 Ocena kształtu wydziele grafitu w eliwie 835 Przykładowe kształty wydziele grafitu przedstawiono na rysunkach 4 i 5. Rys. 4. Wydzielenie grafitu sferoidalnego (powikszenie x400) Rys. 5. Wydzielenie grafitu typu,,exploded (powikszenie x400) Dokonano pomiarów charakterystycznych parametrów opisujcych wydzielenia grafitu: pole powierzchni wydzielenia grafitu BD, obwód wydzielenia BP, procentowy udziału powierzchni grafitu G. Powysze wielkoci zostały wykorzystane przy sporzdzaniu histogramów: (objtoci wydziele grafitu V V w funkcji współczynnika kształtu C oraz iloci wydziele grafitu N a w funkcji współczynnika kształtu C ). Na podstawie wykonanych bada opracowano histogramy, których przykłady przedstawiono na rysunkach 6 i 7.

6 836 M. Stawarz, J. Szajnar Objto wydziele grafitu Vv [ ,5-0,55 0,55-0,6 26,0 20,6 10,0 10,1 3,1 0,0 0,1 0,6 1,5 0,6-0,65 0,65-0,7 0,7-0,75 0,75-0,8 0,8-0,85 0,85-0,9 0,9-0,95 Współczynnik kształtu powierzchni "C" 27,9 0,95-1 Rys. 6. Objto wydziele grafitu V V w funkcji współczynnika kształtu powierzchni C Ilo wydziele grafitu Na [] ,5-0,55 0,55-0,6 19,2 18,5 10,8 9,2 5,4 4,6 3,1 0,8 0,8 0,6-0,65 0,65-0,7 0,7-0,75 0,75-0,8 0,8-0,85 0,85-0,9 0,9-0,95 Wspólczynnik kształtu powierzchni "C" 27,7 0,95-1 Rys. 7. Ilo wydziele grafitu N a w funkcji współczynnika kształtu powierzchni C 3. ANALIZA WYDZIELE GRAFITU W FUNKCJI CHARAKTERYSTYCZNYCH PUNKTÓW ATD N a (0,9) = ,5 + 11,61 T I + 0,26 T M Gdzie: T I temperatura w punkcie I, T M temperatura w punkcie M, (1) O parametrach statystycznych: - warto rednia Na s = 47,28, - odchylenie standardowe Na = 5,16, - współczynnik korelacji R = 0,89, - test F = 12,49.

7 Ocena kształtu wydziele grafitu w eliwie 837 Na podstawie uzyskanego równania (1) mona zauway, e ilo wydziele grafitu o najbardziej podanym kształcie (współczynnik kształtu C=0,9 1) opisana jest przez charakterystyczne temperatury stanu stałego eliwa. Wraz ze wzrostem wartoci tych temperatur zwiksza si ilo wydziele grafitu klasy C=0,9 1. Kulisty kształt wydzielenia charakteryzuje si mniejszym współczynnikiem przewodnoci cieplnej w porównaniu z grafitem płatkowym w eliwie szarym. Rónice w przewodnoci cieplnej zwizane s z wystpowaniem odizolowanych wydziele grafitu sferoidalnego co wpływa na zmniejszenie przewodnoci cieplnej badanego eliwa [4]. N a (0,8) = 664,7 1,13 T D + 0,77 T M (2) Gdzie: T D temperatura w punkcie D, T M temperatura w punkcie M, O parametrach statystycznych: Na s = 74,46 ; Na = 4,8 ; R = 0,85; F = 9,3. Wraz z obnieniem temperatury T D (wzrostem przechłodzenia) zwiksza si ilo wydziele grafitu klasy C=0,8 1. Ilo wydziele grafitu w tym przypadku opisana jest równie przez charakterystyczn temperatur stanu stałego eliwa T M. Podobnie jak w przypadku poprzednim decydujce znaczenie odgrywa tu zmniejszenie współczynnika przewodnoci cieplnej eliwa sferoidalnego. V V (0,9) = 1650,56 2,05 T D + 0,8 T M (3) Gdzie: T D temperatura w punkcie D, T M temperatura w punkcie M, O parametrach statystycznych: V V = 41,3 ; Na = 2,77 ; R = 0,98; F = 89,03. Objto wydziele grafitu (klasy C=0,9 1) podobnie jak w poprzednim przypadku zaley od wartoci przechłodzenia T D i od temperatury T M opisujcej stan stały eliwa. V V (0,8) = 1045,91 1,47 T D + 0,77 T K 0,38 t F Gdzie: T D temperatura w punkcie D, T K temperatura w punkcie K, t F czas krystalizacji stabilnej eutektyki O parametrach statystycznych: V V = 74 ; Na = 3,41 ; R = 0,93; F = 12,14. Objto wydziele grafitu (klasy C = 0,8 1) zaley od wielkoci przechłodzenia T D i od temperatury T K opisujcej stan stały eliwa, ponadto w równaniu (4) obserwujemy wpływ czasu koca krystalizacji eutektyki grafitowej, wraz ze skróceniem czasu t F zwiksza si ilo wydziele grafitu klasy 0,8 1. Wydłuenie czasu t F powoduje krystalizacj grafitu sferoidalnego w zdegenerowanej postaci. (4) 4. PODSUMOWANIE Ilo i objtoci wydziele grafitu (klasy C=0,8 1 i C=0,9 1) okrelaj parametry stanu stałego decydujce znaczenie odgrywa tu zmniejszenie współczynnika przewodnoci cieplnej eliwa sferoidalnego,

8 838 M. Stawarz, J. Szajnar Zaobserwowano korzystny wpływ przechłodzenia na ilo i objtoci wydziele grafitu, Uzyskane zalenoci cechuj si wysokimi parametrami statystycznymi i mog by pomocne przy kontroli jakoci eliwa sferoidalnego w oparciu o metod ATD. LITERATURA 1. Stawarz M, Jura S;,,Parametry stereologiczne grafitu i skład chemiczny okrelajcy właciwoci eliwa sferoidalnego Archiwum Odlewnictwa, Rocznik 2, Nr 4 PAN Katowice, Szajnar J, Stawarz M, Jura S;,,Ocena analizy stereologicznej grafitu w eliwie sferoidalnym Archiwum Odlewnictwa rok, Rocznik 3, PAN Katowice, Jura S., Stawarz M.:,, Wpływ składu chemicznego i parametrów stereologicznych wydziele grafitu na właciwoci mechaniczne eliwa sferoidalnego Polska Metalurgia w latach tom 2 Wydawnictwo Naukowe PAN, s.46 51, Kraków, Stawarz M., Szajnar J.:,,Ocena jakoci eliwa sferoidalnego metod ATD Archiwum Odlewnictwa, Rocznik 3, Nr 10, PAN Katowice, 2003.