41/15 Archives of Foundry, Year 2005, Volume 5, 15 Archiwum O dlewnictwa, Rok 2005, Rocznik 5, Nr 15 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 MONITOROWANIE PRODUKCJI I KONTROLA JAKOŚCI STOPÓW ODLEWNICZYCH Z WYKORZYSTANIEM METODY ATD S. PIETROWSKI 1, G. GUMIENNY 2, B. PISAREK 3, R. WŁADYSIAK 4 Katedra Systemów Produkcji, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź STRESZCZENIE W pracy przedstawiono możliwości wykorzystania metody ATD do budowy programów komputerowych kontroli produkcji wysokojakościowych stopów odlewniczych aluminium oraz żelaza. Key words: crystallization, thermal derivative analysis, cast steel, cast iron, silumin 1. WSTĘP Prowadzone od szeregu lat badania nad identyfikacją krystalizujących w różnych stopach faz z wykorzystaniem metody analizy termicznej i derywacyjnej (ATD) wykazały taką możliwość. Najprostszą identyfikacją z wykorzystaniem metody ATD jest krystalizacja eutektyki + grafit lub + Fe 3 C w żeliwach niestopowych i Al-Si ( + ) w siluminach. W przypadku krystalizacji innych eutektyk lub faz, np. w żeliwach stopowych, siluminach wieloskładnikowych oraz staliwach, identyfikacja poszczególnych efektów cieplnych na krzywej krystalizacji [dt/d = f ( )] wymaga analizy odpowiednich wykresów równowagi fazowej, badań metalograficznych i dyfrakcji rentgenowskiej. W pracach [1 15] wykazano identyfikację faz, kolejność, temperaturę początku oraz końca ich krystalizacji metodą ATD w: staliwie niestopowym i stopowym, żeliwie: chromowym, Ni-resist z grafitem płatkowym, wermikularnym i sferoidalnym oraz s i- 1 prof. dr hab. inż., spietrow@mail.p.lodz.pl 2 dr inż., grzegum@p.lodz.pl 3 dr inż., bpisarek@p.lodz.pl 4 dr inż., rwladysi@p.lodz.pl
311 luminach stopowych. Przedstawiono również, że zabiegi rafinacji oraz modyfikacji stopów znajdują swoje odzwierciedlenie w charakterystyce przebiegu krzywej krystalizacji. Wynika stad, że kształt tej krzywej jest funkcją składu chemicznego i stanu fizykochemicznego stopu, a więc i jego mikrostruktury. Ze względu na to, że własności mechaniczne stopu zależą od jego mikrostruktury, można je opisać charakterystycznymi wielkościami krzywych ATD, tzn. występują pomiędzy nimi określo ne zależności statystyczne. Opracowanie ich stanowi podstawę budowy algorytmów programów komp u- terowych kontroli produkcji i jakości stopów. Ich istotną zaletą jest krótki, nie przekraczający 6 min czas kontroli mikrostruktury i wynikających z niej własności mechanicznych: R m, R p0,2, A 5, HB i KC stopów. Umożliwia to korektę ciekłego metalu przed wlaniem go do form. Powala to na likwidację braków odlewów spowodowanych niewłaściwą jakością stopu. Autorskie programy komputerowe kontroli produkcji i jakości stopów opracowane zostały dla różnych gatunków staliwa, żeliwa, siluminów i wdrożone w odlewniach tych stopów [2, 5 7, 9, 14, 15]. W niniejszej pracy przedstawiono wybrane przykłady możliwości monitorowania produkcji i kontroli jakości różnych stopów za pomocą autorskich programów komputerowych zbudowanych z wykorzyst a- niem metody ATD. 2. METODYKA BADAŃ Reprezentatywne dla warunków laboratoryjnych i produkcyjnych stan owisko kontroli stopów z wykorzystaniem metody ATD przedstawiono na rysunku 1. Składa się ono z: Cristalldigraphu, próbnika ATD z termoelementem (PtRh10-Pt lub NiCr-Ni), komputera i drukarki. Po przygotowaniu ciekłego stopu wlewany jest on do próbnika ATD. Z termoelementu sygnał przekazywany jest do przetwornika, a z niego do komputera, który rejestruje krzywe ATD i ich charakterystyczne wielkości. W programie następuje obliczenie określonych właściwości stopu, które przedstawiane są na ekranie monitora i drukowane. Po uzyskaniu informacji pozytywnej o stopie, na ekranie pojawia się napis: Stop zgodny z technologią. Można zalewać formy. Jeżeli stop jest niewłaściwy pojawia się napis: Korekta i podany jest jej rodzaj. Po jej dokonaniu kontrolę stopu przeprowadza się ponownie. Weryfikacja w warunkach produkcyjnych kontroli mikrostruktury i własności mechanicznych stopów programem komputerowym z wykorzystaniem metody ATD i badaniami metalograficznymi oraz wytrzymałościowymi próbek stopów aluminium i żelaza wykazała prawie 100% zgodności wyników.
312 Rys. 1. Stanowisko kontroli stopów z wykorzystaniem metody ATD Fig. 1. Control stand of alloys with make use of TDA method 3. WYNIKI BADAŃ Na rysunkach 2 7 (a,, 8 (a c) oraz 9, 10 (a, przedstawiono krzywe ATD i mikrostrukturę następujących stopów: staliwa niestopowego gatunku GC40 (L40) (0,48% C, 0,46% Si, 0,69% Mn, rys. 2 a,, staliwa stopowego gatunku GX20Cr56 (LH14) (0,24% C, 12,00% Cr, rys. 3 a,, staliwa stopowego gatunku GXCrNi72-36 (LH18N9) (0,17% C, 17,93% Cr, 9,81% Ni, rys. 4 a,, żeliwa wermikularnego (3,61% C, 2,63% Si, 0,36% Mn, rys. 5 a,, żeliwa sferoidalnego gatunku EN-GJS-400-15 (3,57% C, 2,56% Si, 0,14% Mn, rys. 6 a,,
313 żeliwa sferoidalnego gatunku EN-GJS-700-2 (3,14% C, 2,62% Si, 0,44% Mn, rys. 7 a,, żeliwa chromowo-niklowo-molibdenowego (3,2% C, 2,1% Si, 10,8% Cr, 6,7% Ni, 2,8% Mo, rys. 8 a c), żeliwa Ni-resist (2,55% C, 2,03% Si, 1,12% Mn, 1,27% Cr, 13,82% Ni, 5,27% Cu, rys. 9 a,, siluminu wieloskładnikowego AlSi18Mg1,2Cu4Cr0,5Mo0,4 (rys. 10 a,. Na krzywych derywacyjnych zaznaczono minimum i maksimum efektów cieplnych od krystalizacji faz lub ich mieszaniny. Szczegółową interpretację efektów cieplnych na krzywych krystalizacji poszczególnych stopów opisano w pracach [1 15]. Z przedstawionych na rys. 2 10 ( danych wynika, że każdy stop charakteryzuje się określonym przebiegiem krzywych stygnięcia i krystalizacji wynikającym z jego składu chemicznego i przeprowadzonych zabiegów metalurgicznych. Proces krystalizacji stopów opisany jest wielkościami wyznaczonymi z charakterystycznych punktów krzywej derywacyjnej, takimi jak: t temperatura, [ C], - czas od początku pomiaru, [s], K szybkość zmian temperatury, [ C/s], Z intensywność zmian temperatury (tangens kąta nachylenia efektu cieplnego), [ C/s 2 ]. Pomiędzy tymi wielkościami, a własnościami mechanicznymi stopu występują zależności statystyczne. Przykładowo, dla st a- liwa stopowego gatunku GX20Cr56 (LH14) przedstawiają się one następująco: R m 1636,9 0,62485 ta 0, 77701 tc 0,60335 td 18,45 KA 35,90 KD (1) parametry statystyczne: R m s = 746,7MPa; dr m = 1,07%; R = 0,93; F = 10,75; W = 4,48 R p0, 2 1354 7, 2,43857 ta 3,06702 tb 1,48994 tc 37,88 KA 34,69 KC 150,87 KD parametry statystyczne: R p0,2 s = 511,1MPa; dr p0,2 = 2,86%; R = 0,94; F = 9,96; W = 4,84 (2) A 5 13,45 0,019094 ta 0,063388 tb 0,029968 tc 0,0183088 td 1,03 KC 1,10 KD (3) parametry statystyczne: A 5 s = 14,0%; da 5 = 1,54%; R = 0,95; F = 12,05; W = 5,73
314 HB 214,6 0,33543 ta 0,61898 tb 0,10488 tc 0,22453 td 12,58 KA 16,65 KC (4) parametry statystyczne: HBs = 246,5; dhb = 1,01%; R = 0,94; F = 9,32; W = 4,57 C 0,548 0,0026935 tb 0,0013901 tc 0,0016671 td 0,0773 KA 0,0811 KB 0,0643 KC 0,0324 KD (5) parametry statystyczne: Cs = 0,254%; dc = 5,30%; R = 0,95; F = 9,10; W = 5,05 Cr 10,19 0,003798 ta 0, 759 KA 1,580 KB 0,591 KC (6) parametry statystyczne: Crs = 12,74%; dcr = 2,43%; R = 0,86; F = 6,84; W = 2,67 Si 2,966 0,0058280 ta 0,0096973 tb 0,0018264 tc 0,1783 KA 0,1094 KB 0,1150 KD (7) parametry statystyczne: Sis = 0,587%; dsi = 5,75%; R = 0,95; F = 13,67; W = 6,07 Mn 2,550 0,0189511 ta 0,0080853 tb 0,0063275 tc 0,0066445 td 0,3886 KA 0,3474 KB 0,0913 KC 0,1212 KD (8) parametry statystyczne: Mns = 0,565%; dmn = 9,94%; R = 0,94; F = 5,31; W = 3,46
o t, C o dt/d, C/s 315 1500 A B E J 1.0 1450 0.0 1400 1350-1.0 1300 dt/d = f '( ) -2.0 1250 1200 Oznaczenie efektów cieplnych krystalizacji: AB - perytektyki BEJ - austenitu J - koniec krystalizacji -3.0 1150 t = f( ) -4.0 1100 0 50 100 150 200 250 300 350 400, s 40mm mikrostruktura: ferryt, perlit, wtrącenia niemetalowe Rys. 2. Krzywe ATD ( i mikrostruktura ( staliwa gatunku GC40 (L40) Fig. 2. TDA curves ( and the microstructure ( of GC40 cast steel
o t, C o dt/d, C/s 316 1500 A B E J 1.0 1450 0.0 1400 1350-1.0 1300 dt/d = f '( ) -2.0 1250 1200 Oznaczenie efektów cieplnych krystalizacji: AB - ferrytu BEJ - austenitu J - koniec krystalizacji -3.0 1150 t = f( ) -4.0 1100 0 50 100 150 200 250 300 350 400, s 40mm mikrostruktura: martenzyt, austenit szczątkowy, węgliki, wtrącenia niemetalowe Rys. 3. Krzywe ATD ( i mikrostruktura ( staliwa gatunku GX20Cr56 (LH14) Fig. 3. TDA curves ( and the microstructure ( of GX20Cr56 cast steel
o t, C o dt/d, C/s 317 1500 1.0 A BE J 1450 0.0 1400 1350-1.0 1300 dt/d = f '( ) -2.0 1250 t = f( ) Oznaczenie efektów cieplnych krystalizacji: 1200 AB - ferrytu BEJ - austenitu J - koniec krystalizacji -3.0 1150-4.0 1100 0 50 100 150 200 250 300 350 400, s 40mm mikrostruktura: austenit, węgliki, wtrącenia niemetalowe Rys. 4. Krzywe ATD ( i mikrostruktura ( staliwa gatunku GXCrNi72-36 (LH18N9) Fig. 4. TDA curves ( and the microstructure ( of GXCrNi72-36 cast steel
o t, C o dt/d, C/s 318 1300 1.0 A E J 1250 0.0 1200 dt/d = f '( ) -1.0 1150-2.0 1100-3.0 1050 1000 Oznaczenie efektów cieplnych krystalizacji: A - austenitu E - eutektyki: austenit + grafit wermikularny J - koniec krystalizacji t = f( ) -4.0 0 50 100 150 200 250 300 350 400, s 20mm mikrostruktura: grafit wermikularny, ferryt, perlit, wtrącenia niemetalowe Rys. 5. Krzywe ATD ( i mikrostruktura ( żeliwa wermikularnego ferrytyczno-perlitycznego Fig. 5. TDA curves ( and the microstructure ( of ferritic-paerlitic vermicular cast iron
o t, C o dt/d, C/s 319 1350 A E J K M L 1.0 1300 0.0 1250-1.0 1200 dt/d = f '( ) 1150 1100 1050 Oznaczenie efektów cieplnych krystalizacji: A - grafitu E - eutektyki: austenit + grafit J - koniec krystalizacji KML - spowodowany zmniejszeniem przewodnictwa cieplnego przez grafit kulkowy t = f( ) -2.0-3.0-4.0 1000 0 50 100 150 200 250 300 350 400, s 40mm mikrostruktura: grafit kulkowy, ferryt, wtrącenia niemetalowe Rys. 6. Krzywe ATD ( i mikrostruktura ( żeliwa sferoidalnego gatunku EN-GJS-400-15 Fig. 6. TDA curves ( and the microstructure ( of EN-GJS-400-15 ductile cast iron
o t, C o dt/d, C/s 320 1300 A E JK M L 1.0 1250 0.0 1200 dt/d =f '( ) -1.0 1150-2.0 1100 1050 t = f( ) Oznaczenie efektów cieplnych krystalizacji: A - grafitu E - eutektyki: austenit + grafit J - koniec krystalizacji żeliwa KML - spowodowany zmniejszeniem przewodnictwa cieplnego przez grafit kulkowy -3.0-4.0 1000 0 50 100 150 200 250 300 350 400, s 20mm mikrostruktura: grafit kulkowy, perlit, wtrącenia niemetalowe Rys. 7. Krzywe ATD ( i mikrostruktura ( żeliwa sferoidalnego gatunku EN-GJS-700-2 Fig. 7. TDA curves ( and the microstructure ( of EN-GJS-700-2 cast iron
o t, C o dt/d, C/s 321 1300 1.0 E E' J 1250 0.0 dt/d = f '( ) 1200-1.0 1150-2.0 1100 Oznaczenie efektów cieplnych krystalizacji: 1050 E - krystalizacja eutektyki (Cr,Fe,Mo) 7 C 3+austenit, E' - krystalizacja eutektyki (Cr,Fe,Mo) 23 C 6 +austenit, J - koniec krzepnięcia żeliwa t = f( ) -3.0-4.0 1000 0 50 100 150 200 250 300 350 400, s c) 20mm 2,5mm mikrostruktura: perlit, węgliki M 7 C 3, M 23 C 6, eutektyka: M 23 C 6 + perlit mikrostruktura: eutektyka: M 23 C 6 + perlit, (skaning) Rys. 8. Krzywe ATD ( i mikrostruktura (b, c) żeliwa żeliwa chromowo-niklowomolibdenowego Fig. 8. TDA curves ( and the microstructure (b, c) of chromium-nickel-molybdenum cast iron
o t, C o dt/d, C/s 322 1300 A E R J 1.0 1250 0.0 1200 dt/d = f '( ) -1.0 1150-2.0 1100 1050 1000 Oznaczenie efektów cieplnych krystalizacji: A - austenitu, E - eutektyki: austenit + grafit, R - węglików pierwotnych (Fe,Cr,Mn) 3C J - koniec krystalizacji, t = f( ) -3.0-4.0 0 50 100 150 200 250 300 350 400, s 20mm mikrostruktura: grafit płatkowy, węgliki pierwotne (Fe,Cr,Mn) 3 C, austenit, wtrącenia niemetalowe Rys. 9. Krzywe ATD ( i mikrostruktura ( żeliwa żeliwa Ni-resist Fig. 9. TDA curves ( and the microstructure ( of Ni-resist cast iron
t, C dt/d, C/s 323 750 A K D F G H J 1 700 0 650-1 600 dt/d = f '( ) 550-2 500 450 400 Oznaczenie efektów cieplnych krystalizacji: A - fazy przedeutektycznej lub ; w siluminach okołoeutektycznych nie występuje K - perytektycznej pojedynczo ewentualnie synergicznie faz Al(Si,Fe,Co,Cr,Mo,W) D - eutektyki: podwójnej + lub potrójnej +Al(SiFeCoCrMoW)+ F - eutektyki: +Mg 2Si+ G - eutektyki: +Al 2Cu H - eutektyki: +Al 3(CuNi)+Al(SiMgNiCuCoCrMoW)+ Mg 2Si J - koniec krystalizacji t = f ( ) -3-4 0 50 100 150 200 250 300 350 400, s 20mm mikrostruktura, fazy: (Al), (Si), Al 13 Cr 4 Si 4, Cr(AlSi) 2, AlSiMo, Mg 2 Si, Al 2 Cu, Al(SiMgCuCrMo) Rys. 10. Krzywe ATD ( i mikrostruktura ( siluminu AlSi18Mg1,2Cu4Cr0,5Mo0,4 Fig. 10. TDA curves ( and the microstructure ( of AlSi18Mg1,2Cu4Cr0,5Mo0,4 silumin
324 Rys. 11. Wydruk na monitorze krzywych ATD ( oraz parametrów punktów charakterystycznych i obliczonych przez algorytm własności określających poprawność przygotowania ciekłego staliwa gatunku GX20Cr56 (LH14) ( Fig. 11. Computer screen display of TDA curves ( and characteristic points parameters and properties computed by algorithm, that determine correctness preparation of liquid GX20Cr56 (LH14) cast steel (
325 Rys. 12. Wydruk na monitorze krzywych ATD ( oraz parametrów punktów charakterystycznych i obliczonych przez algorytm własności określających p oprawność przygotowania ciekłego żeliwa gatunku EN-GJS 400-15 ( Fig. 12. Computer screen display of TDA curves ( and characteristic points parameters and properties computed by algorithm, that determine correctness preparation of liquid EN- GJS 400-15 cast iron (
326 Zależności statystyczne stanowią podstawę budowy algorytmów autorskich programów komputerowych monitorowania produkcji i kontroli jakości stopów. Program umożliwia wizualizację kreślenia krzywych ATD. Po zakończonym procesie krystalizacji stopu przerywa się pomiar. Na ekranie monitora pokazują się wtedy wyznaczone charakterystyczne temperatury np.: likwidus, solidus, końca krystalizacji; dla żeliwa: stopień nasycenia eutektycznego S c, zawartość węgla w eutektyce C eut, eutektyczny równoważnik węgla C e i współczynnik rozszerzalności cieplnej; dla siluminów: zawartość wodoru H 2 [ppm] i gęstość oraz własności mechaniczne: R m, R p02, A 5, HB i KCU. Pojawia się również konkluzja, czy stop przygotowany jest zgodnie z technologią, czy też niezgodnie. W tym ostatnim przypadku na monitorze wyświetlone są komunikaty informujące o tym, jakie czynniki należy zmienić, aby uzyskać stop właściwy. Na rysunkach 11 i 12 (a, przedstawiono przykładowe wydruki z monitora charakterystycznych wielkości odpowiednio dla staliwa chromowego GX20Cr56 (LH14) oraz żeliwa sferoidalnego EN-GJS-400-15. Uzyskane informacje z odlewni, w których wdrożono przedstawiony system komputerowy monitorowania produkcji i kontroli jakości stopów potwierdzają jego ciągłą stosowalność i pełną przydatność w warunkach produkcyjnych. Okresowa kontrola doświadczalna wykonywana na próbkach kontro l- nych potwierdza dane uzyskiwane z programów komputerowych. 4. WNIOSKI Z przedstawionych w pracy danych wynikają następujące wnioski: metoda ATD jednoznacznie określa przebieg procesu krystalizacji stopów żelaza i aluminium, stanowi ona podstawową bazę danych niezbędnych do budowy algorytmów programów komputerowych kontroli produkcji i jakości stopów, zapewnia krótki czas kontroli stopu (około 6 min) co umożliwia jego korektę przed zalaniem form, badania doświadczalne potwierdzają poprawność wyników obliczonych w programie komputerowym. LITERATURA [1] Pisarek B.: Ocena metodą analizy termiczno-derywacyjnej (ATD) procesu krystalizacji, struktury i twardości żeliwa chromowego z dodatkami Ni i Mo, Praca doktorska, IIMiTB PŁ, 1996 [2] Pietrowski S., Władysiak R., Pisarek B., Wdrożenie w Wytwórni Sprzętu Komunikacyjnego PZL Gorzyce systemu kontroli i sterowania jakością siluminów tłokowych metodą analizy termiczno-derywacyjnej (ATD). Projekt Celowy nr 77765 94C/2257, 1994-1996. [3] Pietrowski S., Pisarek B., Władysiak R., Żeliwo stopowe z grafitem wermikularnym. Krzepnięcie Metali i Stopów, PAN, 1998, vol. 37, s. 105.
327 [4] Pietrowski S., Władysiak R., Pisarek B., Crystallization, Structure and Properties of Silumins with Cobalt, Chromium, Molybdenum and Tungsten Admixtures. Proceedings of Conference Light Alloys and Composites 1999, p. 77. [5] Pietrowski S., Pisarek B., Władysiak R., Zbadanie krystalizacji żeliwa z grafitem wermikularnym oraz opisanie jej modelem analityczno numerycznym. Projekt Badawczy nr 7T08B 006 13, 1997-2000. [6] Pietrowski S., Pisarek B., Władysiak R., Wdrożenie systemu kontroli i sterowania jakością żeliwa austenitycznego na wkładki tłokowe metodą ATD. Projekt Celowy nr 7T08B 164 99 C/4261, 1999-2000. [7] Pietrowski S., Pisarek B., Władysiak R., Wdrożenie w przedsiębiorstwie METALEXPORT Odlewnia Koluszki technologii wytapiania surówki nisk o- manganowej, żeliwa sferoidalnego, wermikularnego i szarego o różnej mikrostrukturze i ich kontroli metodą ATD. Projekt Celowy nr 7T08B 227 2000C/4877, 2000-2002. [8] Pietrowski S., Pisarek B., Władysiak R., System komputerowy kontroli i sterowania jakością żeliwa z wykorzystaniem metody ATD. Archiwum Odlewnictwa, PAN, 2002, vol. 4, s. 222. [9] Pietrowski S., Władysiak R., Pisarek B., Wdrożenie w "Federal Mogul Gorzyce" S.A. systemu kontroli i sterowania jakością siluminów na felgi samochod o- we. Projekt Celowy nr 10T08 080 2001C/5426, 2001-2002. [10] Pietrowski S., Pisarek B., Władysiak R., System komputerowy kontroli i sterowania jakością siluminów przeznaczonych na koła samochodowe. Archiwum Odlewnictwa, PAN, 2003, vol. 10, s. 112. [11] Pietrowski S., Gumienny G., The Control of Ductile Iron Production. Inżynieria Materiałowa AMT 2004, vol. 3, s. 422. [12] Pietrowski S., Gumienny G., Ocena staliwa niestopowego metodą ATD. Archiwum Odlewnictwa, PAN, 2004, vol. 12, s. 323. [13] Pietrowski S., Gumienny G., Ocena staliwa GX20Cr56 metodą ATD. Archiwum Odlewnictwa, PAN, 2004, vol. 12, s. 315. [14] Pietrowski S., Gumienny G., Pisarek B., Władysiak R., Wdrożenie systemu kontroli i sterowania jakością staliwa gatunku: L20; 270-480W; LH14; LH18N9. Projekt Celowy nr ROW-192-2003, 2003-2004. [15] Pietrowski S., Gumienny G., Pisarek B., Władysiak R., Ocena jakości żeliwa sferoidalnego metodą analizy termicznej i derywacyjnej. Projekt Badawczy nr 4T08B01322, 2002-2004. PRODUCTION MONITORING AND QUALITY CONTROL OF CASTING ALLOYS WITH TDA METHOD SUMMARY This paper presents potential of use of TDA method to create computer systems of production control of advanced casting alloys of aluminium and iron. Recenzował Prof. Józef Gawroński