KONTROLA JAKOŚCI ŻELIWA AUSTENITYCZNEGO METODĄ ATD

Transkrypt

1 50/ Archives of Foundry, Year 001, Volume 1, 1 (/) Archiwum Odlewnicwa, Rok 001, Rocznik 1, Nr 1 (/) PAN Kaowice PL ISSN KONTROLA JAKOŚCI ŻLIWA AUSTNITYCZNGO MTODĄ ATD R. WŁADYSIAK 1 Kaedra Sysemów Produkcji, Poliechnika Łódzka, ul. Sefanowskiego 1/15, Łódź, STRSZCZNI W pracy przedsawiono wyniki badań żeliwa auseniycznego, podano wymagany skład chemiczny zapewniający orzymanie mikrosrukury auseniycznej oraz wynikające z niej własności mechaniczne. Przedsawiono krzywe ATD i opracowany na ich podsawie algorym posępowania, kóry umożliwia konrolę krysalizacji żeliwa, jego mikrosrukury i własności mechanicznych. Key words: TDA, Ni-Resis cas iron, crysallizaion, conrol 1. WSTĘP W pracy przedsawiono wyniki badań wykonanych w ramach realizowanego w WSK GORZYC S.A. projeku celowego doyczącego produkcji wkładek łokowych z żeliwa auseniycznego. Zasosowane na wkładki żeliwo jes żeliwem ypu Ni-Resis. Jak wynika z lieraury jego skład chemiczny powinien być nasępujący:,5 3,% C, 1,5,5% Si, 0,5 1,5%, 14 % Ni, 8,5 Cu,,0% Cr, 0,1% S i 0,3% P [1]. Głównym składnikiem jes nikiel, wprowadzany w celu uzyskania mikrosrukury auseniycznej. Konieczność posiadania przez wkładkę podpierścieniową akiej mikrosrukury podykowana jes przede wszyskim zminimalizowaniem naprężeń powsających w łoku na granicy dwóch różnych worzyw mealowych: silumin żeliwo. Podczas eksploaacji łok silnika spalinowego podlega nagrzewaniu i sudzeniu w zakresie od emperaury ooczenia do 30 C w obszarze denka, 180 C w rowku pierwszego pierścienia i 130 C w części prowadzącej łoka []. Warość współczynnika rozszerzalności cieplnej 1 dr inż. rwladysi@ck-sg.p.lodz.pl

2 liniowej 0 00 dla auseniu wynosi *10-6 K -1 i jes zbliżona do wielu siluminów łokowych []. Wpływ niklu na rozszerzalność cieplną jes szczególnie isony gdyż zmiana zawarości w zakresie do 0% Ni powoduje wzros współczynnika 0 00 w zakresie 4,5 19*10-6 K -1. Miedź, w żeliwie Ni-Resis może częściowo zasępować droższy nikiel gdyż również sprzyja orzymywaniu mikrosrukury auseniycznej [1].. WYNIKI BADAŃ Celem przeprowadzonych badań było opracowanie algorymu konroli jakości żeliwa auseniycznego meodą analizy ermicznej i derywacyjnej (ATD). W związku z ym w pracy wykonano badania wpływu echnologii opienia, odlewania i składu chemicznego na mikrosrukurę, własności mechaniczne Rm, A 5, HB i współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz na charakerysykę krzywych ATD. Badania e, jak również wykonana mikroanaliza rozkładu liniowego i powierzchniowego pozwoliła na zopymalizowania składu chemicznego żeliwa, kóre powinno zawierać:,0 3,00% C, 1,50,5% Si, 0,80 1,50% Mn, 13,50 17,00% Ni, 0,8,00% Cr, 5,00 7,50% Cu, P i S 0,10%. mikrosrukura żeliwa powinna być auseniyczna z węglikami w ilości do 5%. Uzyskane wyniki sanowiły podsawowe założenia algorymu konroli jakości badanego żeliwa. Zasadniczym warunkiem jes orzymanie mikrosrukury auseniycznej. Z przeprowadzonych badań wynika, że nikiel i miedź są pierwiaskami w najwyższym sopniu odpowiedzialnymi za rozszerzenie zakresu auseniycznego żeliwa do emperaury ooczenia [3]. Na rysunku 1 przedsawiono reprezenaywne krzywe ATD żeliwa zawierającego,78% C,,06% Si, 1,05% Mn, 5,34% Cu, 1,07% Cr, 14,14% Ni, 0,05% P i 0,01% S. Na krzywej krysalizacji efek cieplny AC spowodowany jes krysalizacją dendryów auseniu, DF krysalizacją euekyki auseni + grafi. W emperaurze H (punk H) nasępuje koniec krysalizacji żeliwa. Poza obszarem krysalizacji pierwonej na krzywych ATD nie wysępują efeky cieplne, co powierdza brak przemiany auseniu w sanie sałym. W ych przypadkach orzymano mikrosrukurę auseniyczną, a na krzywych ATD w zakresie krysalizacji pierwonej wysępują charakerysyczne różnice warości paramerów: emperaury krysalizacji euekyki grafiowej - = C, emperaury końca krysalizacji euekyki grafiowej - H = C, inensywności krysalizacji euekyki po maksymalnym efekcie cieplnym - ZF=-1, -4,1 mk/s, inensywności końca krysalizacji euekyki - ZH= mk/s, szybkość sygnięcia końca krysalizacji euekyki grafiowej- KH=-,4-0,8 K/s. Paramery ZF i ZH liczbowo odpowiadają warościom angensów kąów nachylenia pomiędzy sycznymi do obszarów -F i H-F krzywej krysalizacji f ( )=d/d i osią, wyprowadzonych odpowiednio z punków F i H.

3 , C d/d, C/s AC DF H 1400 ZF 0.0 d/d =f' ( ) P 100 A -1.0 KH H 1000 ZH =f( ) , s Punk A C D F H, C d/d, K/s 0,11-0, ,6 d /d, mk/s , - -7,8-10 Rys. 1. Reprezenaywne krzywe ATD żeliwa o nasępującym składzie chemicznym:,78% C,,06% Si, 1,05% Mn, 5,34% Cu, 1,07% Cr, 14,14% Ni, 0,05% P i 0,01% S Fig. 1. Represenaive TDA curves of cas iron wih composiion:,78% C,,06% Si, 1,05% Mn, 5,34% Cu, 1,07% Cr, 14,14% Ni, 0,05% P and 0,01% S Z przeprowadzonej analizy saysycznej wynika, że wybrane paramery charakerysyczne ATD worzyły w odniesieniu do składu chemicznego i własności żeliwa, zależności sochasyczne dające się opisać modelem maemaycznym przy wysokiej korelacji pomiędzy analizowanymi wielkościami. Przykładowo, graficzną inerpreację wpływu zawarości Ni w żeliwie na zmianę paramerów ZF i ZH pokazano na rysunku. Z przedsawionych charakerysyk wynika, że zwiększenie ilości niklu powoduje wzros warości paramerów ZF i ZH. Charaker zmian najlepiej opisuje wielomian drugiego sopnia. Z przeprowadzonych badań wpływu chromu i manganu na mikrosrukurę i na krzywe ATD żeliwa wynika, że wzros zawarości ych pierwiasków powoduje zwiększenie wielkości i ilości worzonych węglików oraz zmienia rodzaj ich wydzieleń.

4 ZF, mk/s ZH, mk/s ZF = - 0,0149 (Ni) + 0,918 Ni ,697 R = 0,96 ZH = - 0,30897 (Ni) ,547 Ni - 33,41 R = 0, Ni, % Rys.. Wpływ zawarości Ni na paramery ZF i ZH krzywych ATD żeliwa Fig.. Influence of Ni conens on ZF and ZH parameers of cas iron TDA Zjawisko o nasila się gdy ilość węgla w żeliwie jes zaniżona. Żeliwo o krysalizuje z węglikami ledeburyycznymi lub pierwonymi rozmieszczonymi siakowo lub równomiernie w ausenicie. Na krzywych ATD wysępuję wówczas charakerysyczny efek cieplny H H. Na rysunku 3 przedsawiono krzywe ATD żeliwa krysalizującego z węglikami ledeburyycznymi. Temperaura począku krysalizacji węglików zawiera się w przedziale: H = C, a końca w zakresie H = C. A zaem węgliki ledeburyyczne krysalizują w sosunkowo wysokiej emperaurze, bliskiej krysalizacji euekyki auseni + grafi. Sąd eż ich większe rozmiary i rozmieszczenie na granicach ziarn euekyki. Żeliwo z węglikami ledeburyycznymi charakeryzuje się nasępującymi własnościami mechanicznymi: Rm=180 0 MPa, A 5 =1,0 1,1%, HB= W przypadku krysalizacji węglików pierwonych pokazanej na rysunku 4, efek cieplny H H wysępuje po zakończeniu krysalizacji euekyki auseni + grafi. Temperaura począku krysalizacji węglików pierwonych zawiera się w przedziale: H = C, a końca H = C. Z przedsawionych danych wynika, że węgliki pierwone krysalizują w niższej emperaurze od węglików ledeburyycznych, w żeliwie zawierającym:,40,60% C, 1,50 1,60% Si, 1,5 1,40% Mn i 1,30 1,60% Cr. Żeliwo z węglikami pierwonymi charakeryzuje się nasępującymi własnościami mechanicznymi: Rm= MPa, A 5 =1,1 1,3%, HB= Krysalizacja węglików w żeliwie powoduje na krzywej krysalizacji efek cieplny H H oraz zmiany kineyki i dynamiki krysalizacji euekyki auseni + grafi.

5 , C d/d, C/s AC DF H'H' d/d =f' ( ) =f( ) , s Punk A C D F H H, C d/d, K/s 0,43-1, ,03-0,97-1,71 d /d, mk/s - -, ,4-44, 1,1-47,6 Rys. 3. Krzywe ATD żeliwa krysalizującego z węglikami ledeburyycznymi Fig. 3. TDA curves of cas iron which crysallized wih ledeburiic carbides Przykładowo, emperaura krysalizacji euekyki przy jednoczesnym wysępowaniu węglików ledeburyycznych zawiera się w zakresie: DF = C, a przy węglikach pierwonych DF = C. Analogiczne różnice wykazują szybkości sygnięcia (KH), czy inensywności krysalizacji (ZH). A zaem esowane paramery ATD spełniają rolę konrolną jakości żeliwa przy wysępowaniu węglików jak i przy ich braku. Badania wpływu echnologii opienia i odlewania na mikrosrukurę i krzywe ATD żeliwa wykazały również, że emperaura przegrzania ciekłego żeliwa powinna zawierać się w zakresie C. Jej wzros powyżej 1500 C powoduje rozpuszczanie poencjalnych zarodków krysalizacji grafiu, w związku z czym zwiększa się skłonność żeliwa do krysalizacji w układzie measabilnym oraz rośnie ilość i wielkość węglików. Konrolę przegrzania ciekłego żeliwa oraz emperaury likwidus spełniają wprowadzone do algorymu paramery: emperaura maksymalna ATD - P, emperaura likwidus A.

6 , C d/d, C/s AC DF H'H' d/d =f' ( ) =f( ) , s Punk A C D F H H, C d/d, K/s 0,0-0, ,96-0,87-1,91 d /d, mk/s ,8 - -4,6-54,5 34,1-65,7 Rys. 4. Krzywe ATD żeliwa krysalizującego z węglikami pierwonymi Fig. 4. TDA curves of cas iron which crysallized wih primary carbides Opisane powyżej paramery ATD wprowadzone do algorymu konroli jakości żeliwa pozwoliły w wyniku przeprowadzonych analiz saysycznych uzyskać zależności pomiędzy nimi a własnościami mechanicznymi Rm, A 5, HB i współczynnikiem badanego żeliwa. Analizę saysyczną przeprowadzono meodą analizy regresji krokowej wielokronej. Uzyskane zależności opisano nasępującymi paramerami saysycznymi: współczynnikiem korelacji poprawionym ze względu na sopnie swobody - R-squared (adjused for d. f.), sandardowym błędem szacowania - Sandard rror of s,, średnim błędem bezwzględnym - Mean absolue error, esem Snedecora F, kórego warości wielokronie przewyższały warości kryyczne F kr W wyniku przeprowadzonej analizy uzyskano nasępujące zależności dla Rm, A 5, HB i 00 C : A Rm ,0 59,975 1,04895 H 0,85331 ZH 0, , (ZH ,1 1,9658 0, H 0, ), MPa, %

7 HB 7861,1 1, , ,39941 ZF 0, (ZH) H 143,189 16,8954 KH * 10-6 K -1 0, (ZH 1101,39 1, , H 0, ) Warości paramerów saysycznych dla każdej z orzymanych zależności przedsawiono w abeli 1. Tabela 1. Paramery saysyczne dla zależności Rm, A 5, HB, Table 1. The saisic parameers for he Rm, A 5, HB, equaions Rodzaj parameru Rodzaj zależności saysycznego Rm A 5 HB R-squared (adjused for d. f.) 80,96 8,14 81,76 89,01 Sandard rror of s 9,95 0,058 3,83 0,069 Mean absolue error 5,47 0,035 1,73 0,041 F 1,69 13,65 8,04 8,04 F kr 3,84 3,84 4,88 3,84 Warunkiem koniecznym odrzucenia hipoezy o nieisoności funkcji regresji jes F F kr. Uzyskane funkcje regresji charakeryzują się dużą różnicą F-F kr. Oznacza o oprócz spełniania warunku koniecznego, dodakowe zmniejszenie ryzyka błędu określonego poziomem isoności, kórego warość sandardowo przyjmowana jes 0,05. W wyniku przeprowadzonych badań meodą ATD oraz przeprowadzonej opymalizacji składu, echnologii opienia i odlewania określono opymalne zakresy warości dla paramerów ATD wprowadzonych do algorymu konroli jakości żeliwa. Opracowany algorym zakłada nasępujące czynności podczas oceny żeliwa na podsawie zarejesrowanych krzywych ATD: wyznaczenie charakerysycznych punków krzywych ATD (P, A, C, D,...), obliczenie warości wybranych paramerów konrolnych ATD w ych punkach (emperaura, szybkość sygnięcia, inensywność krysalizacji), obliczenie na podsawie równań regresji własności Rm, A 5, HB i, porównanie obliczonych lub zarejesrowanych warości paramerów charakerysycznych ATD z zakresami dopuszczalnymi ych paramerów, podjęcie decyzji o jakości żeliwa, w przypadku oceny negaywnej określenie najbardziej prawdopodobnej przyczyny niewłaściwej jakości żeliwa. Warości graniczne paramerów konrolnych pobierane są przez sysem kompuerowy z pliku eksowego, dzięki czemu isnieje możliwość ich szybkiego skorygowania np. w przypadku zmiany zakładowej echnicznej normy jakości sopu. H,99554 ZH

8 Podsumowując przedsawione wyniki badań należy swierdzić, że zmiany składu chemicznego i zabiegi echnologiczne na ciekłym żeliwie znajdując swoje odbicie w zmianach charakerysycznych paramerów ATD, umożliwiają konrolę przygoowania ciekłego żeliwa oraz uławiają diagnozowanie przyczyn złych wyopów. 3. WNIOSKI Z przedsawionych w pracy badań wynikają nasępujące wnioski: isnieją saysyczne zależności między warościami paramerów ATD a składem chemicznym oraz właściwościami Rm, A 5, HB i sopu, - wysępujące w mikrosrukurze żeliwa auseniycznego wydzielenia węglików ledeburyycznych, lub pierwonych na krzywej krysalizacji przejawiają się efekem cieplnym wysępującym odpowiednio: po maksymalnym efekcie cieplnym krysalizacji euekyki auseni+grafi lub po jej zakończeniu, meodą ATD można konrolować orzymywanie żeliwa auseniycznego, mikrosrukurę oraz własności mechaniczne żeliwa. Pracę zrealizowano w ramach projeku celowego Nr: 7T08B C/461 LITRATURA [1] C. Podrzucki: Żeliwo. Srukura właściwości zasosowanie. Tom. Wydawnicwo ZG STOP, Kraków [] S. Pierowski: Krysalizacja, srukura i właściwości siluminów łokowych. Wydawnicwo PŁ, Łódź [3] S. Pierowski, B. Pisarek, R. Władysiak: Zbadanie wpływu składu chemicznego żeliwa na uzyskanie srukury auseniycznej oraz charakerysykę krzywych ATD. Projek celowy Nr: 7T08B C/461, Łódź 000. SUMMARY QUALITY CONTROL OF AUSTNITIC CAST IRON WITH TDA MTHOD The resuls of invesigaions of he auseniic cas iron have been presened here. I has been given required chemical composiion, which enables auseniic microsrucure received and mechanical properies from i subsequen. I has been shown TDA curves and algorihm on heir bases processed procedure enabling conrol of cas iron crysallizaion, microsrucure and mechanical properies. Recenzował Prof. Sanisław Jura