METODYKA PRZYGOTOWANIA OCENY JAKOŚCI ŻELIWA SFEROIDALNEGO Z ZASTOSOWANIEM METODY ATD

Transkrypt

1 29/6 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 22, Rocznik 2, Nr 6 Archives of Foundry Year 22, Volume 2, Book 6 PAN - Katowice PL ISSN METODYKA PRZYGOTOWANIA OCENY JAKOŚCI ŻELIWA SFEROIDALNEGO Z ZASTOSOWANIEM METODY ATD S. PIETROWSKI 1, G. GUMIENNY 2 Katedra Systemów Produkcji, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 1/1, Łódź STRESZCZENIE Przedstawiono metodykę przygotowania oceny jakości żeliwa sferoidalnego. Jakość żeliwa określono charakterystyką grafitu oraz własnościami mechanicznymi: R m, R p,2, A i HB. Opisano wykonanie i opracowanie krzywych ATD oraz kolejność postępowania w ocenie grafitu. Key words: ductile cast iron, crystallization, thermal derivative analysis 1. WSTĘP W pracach S. Jury [1; 2] wykazano, że na krzywej derywacyjnej żeliwa sferoidalnego po zakończonym procesie krystalizacji występuje efekt cieplny spowodowany zmniejszeniem przewodnictwa cieplnego przez wydzielony grafit kulkowy. Efekt ten, w powiązaniu z innymi charakterystycznymi parametrami krzywych ATD można wykorzystać do oceny jakości żeliwa sferoidalnego. Istotą oceny jakości żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem metody ATD jest oprac o- wanie zależności statystycznych pomiędzy własnościami mechanicznymi: R m, R p,2, A i HB a charakterystycznymi parametrami krzywych ATD. W związku z tym celem niniejszej pracy było przedstawienie niezbędnej metodyki przygotowania powyższych danych do oceny jakości żeliwa sferoidalnego. 1 prof. dr hab. inż., akgolnik@ck-sg.p.lodz.pl 2 mgr inż. 249

2 2. METODYKA BADAŃ WŁASNYCH Ocenę jakości przeprowadzono na żeliwie ferrytycznym gatunku EN-GJS-4-1 wytopionym w Gliwickich Zakładach Urządzeń Technicznych GZUT w Gliwicach, z zastosowaniem metody przewodu elastycznego (PE). Do wykonania próbek wykorzystano próbnik ATD-S pokazany schematycznie na rysunku Rys. 1. Schemat próbnika ATD S przeznaczonego do badania żeliwa sferoidalnego: 1 zbiornik przelewowy, 2 przelew, 3 część pomiarowa, 4 termopara, forma Fig. 1. Ductile cast iron ATD-S probe diagram: 1 transfer tank, 2 transfer, 3 measurement part, 4 thermo-couple, mould Wykresy ATD sporządzono przy pomocy aparatu Cristaldigraph PC-4T2L produkcji PPUH Z-TECH w Gliwicach. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowe krzywe ATD z naniesionymi charakterystycznymi parametrami wykorzystywanymi do oceny jakości żeliwa. Do oceny jakości żeliwa sferoidalnego w metodzie ATD wykorzystuje się n a- stępujące wielkości: temperatura punktów charakterystycznych t, C, wartości pierwszej pochodnej temperatury tych punktów po czasie dt/d, C/s, wartość tangensa kąta nachylenia krzywej derywacyjnej dla tych punktów d 2 t/d 2, C/s 2 (przykład metodyki wyznaczania tego kąta dla punktu G pokazano na rys. 2), czas od początku krystalizacji do charakterystycznych punktów na krzywej stygnięcia, s.

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Do pomiaru temperatury ciekłego żeliwa użyto termopary PtRh1-Pt. Z wykonanych próbek wycięto krążki o grubości 1mm możliwie blisko miejsca, gdzie znajdowała się termopara. Następnie wykonano zgłady metalograficzne na ich powierzchni czołowej oraz prostopadle do niej, celem określenia mikrostruktury żeliwa. Stwierdzono, że mikrostruktura osnowy metalowej była we wszystkich próbkach ferrytyczna. 1-1 o o t, C dt/d, C/s 14 A B D E F G H I K M 2 d t/d 2 12 dt/d = f'( ) t = f( ) , s Rys. 2. Krzywe ATD żeliwa sferoidalnego ferrytycznego o składzie: 3,7% C, 2,38% Si,,13% Mn,,38% P,,11% S,,3% Mg Fig. 2. TDA curves of ductile cast iron with: 3,7% C, 2,38% Si,,13% Mn,,38% P,,11% S,,3% Mg Do oceny grafitu występującego w próbkach wykorzystano aparat Magiscan wraz z oprogramowaniem. Badanie grafitu przeprowadzono w sposób opisany poniżej. Na nietrawionym zgładzie metalograficznym ciemne pola oznaczają wydzielenia grafitu. Aparat, po zeskanowaniu powierzchni, zaznacza te pola. Na powierzchni zgładu znajdują się zanieczyszczenia w postaci wtrąceń niemetalowych, które także mogą zostać zaznaczone. Celem popra w- nej oceny jakości grafitu istnieje możliwość eliminacji zaznaczenia tych obszarów. Dokonuje się tego na ekranie monitora przy pomocy pióra interaktywnego. Wszystkie 21

4 pozostałe zaznaczone obszary są następnie brane pod uwagę podczas wykonywania obliczeń. Tak przygotowany obraz poddawany jest analizie stereologicznej. Aparat określa: - liczbę wydzieleń grafitu LWG, - procentowy udział powierzchniowy grafitu, - minimalną, maksymalną i średnią powierzchnię wydzieleń grafitu BD, - minimalny, maksymalny i średni obwód wydzieleń grafitu BP. Wyniki obliczeń zapisywane są w pamięci komputera. Dla każdej próbki wykonano 1 analiz na powierzchniach leżących na dwóch prostopadłych przekątnych powierzchni zgładu. Podczas badania znaczącą rolę odgrywa czystość zgładu metalograficznego oraz umiejętność odróżnienia wydzieleń grafitu od zanieczyszczeń znajdujących się na p o- wierzchni zgładu. Na podstawie badanych wielkości program oblicza wskaźnik kształtu grafitu. Do opisania wskaźnika kształtu przyjęto następujący współczynnik [1]: 22 O O bk c (1) bw gdzie: O bk obwód idealnego koła o powierzchni wydzielenia grafitu, O bw obwód wydzielenia grafitu. Przyjęto, że wskaźnik grafitu kulkowego i zwartego zawiera się w granicach:,8 c 1 (2) grafitu wermikularnego:,6 c,7 (3) natomiast grafitu płatkowego:,2 c,6 (4) Należy podkreślić fakt, że założone przedziały są umowne i grafit o wskaźniku kształtu c =,8 można zaliczyć zarówno do grafitu zwartego jak i wermikularnego. W wyniku badań stwierdzono oprócz grafitu kulkowego także grafit wermikularny o wskaźniku c (,6,7) oraz, w niewielkiej ilości, grafit płatkowy o wskaźniku c <,6. Na podstawie wykonanych badań opracowano histogramy, określające nast ę- pujące zależności: N a = f(c), N a = f(bd), V v = f(c), V v = f(bd),

5 Vv, % Na, % ARCHIWUM ODLEWNICTWA gdzie: c wskaźnik kształtu grafitu, BD pole powierzchni wydzielenia grafitu, m 2, N a względny udział powierzchniowy wydzieleń grafitu, %, V v względny udział objętościowy wydzieleń grafitu, %. Przykładowo, na rysunku 3 (a d) pokazano histogramy dla jednej z próbek. a) ,,,6,6,7,7,8,8,9,9 "c" b) ,,,6,6,7,7,8,8,9,9 "c" 23

6 Vv, % Na, % c) ,11 6,31 1,8 39,81 1, 21,2 631, BD d) ,11 6,31 1,8 39,81 1, 21,2 631, BD Rys. 3. Histogramy określające: a) względny udział powierzchniowy wydzieleń grafitu N a w funkcji wskaźnika kształtu c, b) względny udział objętościowy wydzieleń grafitu V v w funkcji wskaźnika kształtu c, c) względny udział powierzchniowy wydzieleń grafitu N a w funkcji ich powierzchni BD, d) względny udział objętościowy wydzieleń grafitu V v w funkcji ich powierzchni BD Fig. 3. Histograms defining: a) relative share of graphite separations N a in function of c coefficient, b) relative share of volume graphite separations V v in function of c coefficient, c) relative share of graphite separations N a in function of its area BD, d) relative share of volume graphite separations V v in function of its area BD 24

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA W funkcji N a = f(c) wskaźnik kształtu grafitu c obliczono z następującej zależności: c ( 4 3,14 BD) BP, () gdzie: BP obwód wydzieleń grafitu, m, natomiast wartości funkcji N a z zależności: BD ( BD 1,8413) N a (6) gdzie: 1 ilość pomiarów dla jednej próbki,,8413 pole obszaru pomiarowego, mm 2, Wartości funkcji V v obliczono następująco: ( 1) BD (1 8413) V v (7) Wartości funkcji N a i V v w zależności od pola powierzchni grafitu BD są analogiczne. Wzory () (7) opracowano w Katedrze Odlewnictwa Politechniki Śląskiej w Gliwicach. W histogramach przyjęto podział wskaźnika kształtu c oraz pola powierzchni wydzieleń grafitu BD na 1 klas. Zdecydowano przyjąć podział klas wskaźnika kształtu c w granicach, 1, ponieważ grafitu o c <, było w próbkach pomijalnie mało. Szerokość klasy wynosi,. Na osi wskaźnika kształtu c przyjęto skalę liniową, natomiast na osi BD logarytmiczną. Ostatnim etapem badań własnych było wykonanie obliczeń statystycznych. Przeprowadzono je przy użyciu programu Regresja autorstwa S. Jury. Program ten realizuje obliczenia w wyniku krokowej eliminacji wielkości niezależnych o najmniejszej korelacji z wielkością zależną, przy wykorzystaniu testów Fishera Snedecora F oraz testu wiarygodności W. Przy obliczeniach program korzysta z macierzy danych utworzonej w programie Waga. Macierz taka zawierać musi: skład chemiczny każdej próbki badanego żeliwa, wielkości opisujące charakterystyczne punkty ATD (temperatura, wartość pierwszej i drugiej pochodnej oraz czas), wielkości opisujące charakterystyczne cechy grafitu: ilość wydzieleń na jednostkę powierzchni, względną N a i rzeczywistą N a R, liczbę wydzieleń grafitu LWG, względny V v i rzeczywisty V v R udział objętościowy grafitu, zmierzone własności mechaniczne badanego żeliwa sferoidalnego: R m, R p,2, A i HB. 2

8 Wielkości te umieszczone są w poszczególnych kolumnach macierzy, nat o- miast w wierszach znajdują się pomiary kolejnych próbek. Z danych tych użytkownik wybiera wielkości zależne i niezależne, wpisuje je odpowiednio w kod programu, a samo obliczenie statystyczne następuje w programie wykonawczym po wykonaniu kompilacji. Do obliczeń statystycznych wzięto pod uwagę grafit o współczynniku kształtu zawierającym się w klasach:,8 1 oraz,9 1. W wyniku obliczeń wyznaczone zostały równania regresji opisujące zależności między własnościami mechanicznymi badanego żeliwa a składem chemicznym, kształtem grafitu i jego ilością a charakterystycznymi wielkościami ATD oraz między kształtem grafitu i charakterystycznymi wielkościami ATD. LITERATURA [1] Jura S. i in., Zastosowanie metody ATD do oceny jakości żeliwa sferoidalnego, Archiwum Odlewnictwa, nr 1 (1/2), 21, s. 93. [2] Jura S. Jura Z., Wpływ funkcyjnych parametrów stereologicznych grafitu na właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego, Archiwum Odlewnictwa, nr 1 (2/2), 21, s. 17. [3] Jura S., Jura Z., Wpływ składu chemicznego i stopnia sferoidyzacji grafitu na wł a- sności mechaniczne żeliwa, Archiwum Odlewnictwa, nr 1 (2/2), 21, s PREPARATION WAY FOR QUALITY ASSESSMENT OF DUCTILE CAST IRON WITH TDA METHOD SUMMARY We have elaborated the preparation way for quality assessment of ductile cast iron. Quality of ductile cast iron we have defined with graphite characteristic and mechanical properties: R m, R p,2, A and HB. We have also elaborated the performance and the work out of TDA curves and the procedure with assessment of graphite. Recenzował prof. dr hab. inż. Stanisław Jura Pracę wykonano w ramach realizacji grantu KBN nr 4T8B