8/8 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 00, 003, Rocznik, 3, Nr 68 Archives of Foundry Year 00, 003, Volume, 3, Book 68 PAN - Katowice PL ISSN 64-5308 OPTYMALIZACJA PROCESU OBRÓBKI CIEPLNEJ STOPU TŁOKOWEGO TYPU AlSiCuNiMg, ZE WZGLĘDU NA TWARDOŚĆ I STABILNOŚĆ WYMIAROWĄ, W WARUNKACH PRZEMYSŁOWYCH Z. LECH, E. CZEKAJ, J. NYKIEL 3, B. KUŁAGA 4, Instytut Odlewnictwa w Krakowie, ul. Zakopiańska 73, 30-48 Kraków 3, 4 Federal-Mogul Gorzyce, ul. Odlewników 5, 39-43 Gorzyce STRESZCZENIE W publikacji zaprezentowane zostały wyniki przemysłowej (w Federal-Mogul Gorzyce S.A., dawnej WSK Gorzyce) optymalizacji procesu obróbki cieplnej (starzenia). Przedmiotem badań były tłoki silnika spalinowego, odlewane ze standardowego około eutektycznego siluminu stopowego typu AlSiCuNiMg. Głównym celem badań był dobór optymalnych parametrów (temperatury i czasu) starzenia tak ze względu na twa r- dość, jak też stabilność wymiarową tłoków. Dodatkowym celem niniejszej prezentacji jest pokazanie, iż niektóre procedury matematycznego-statystycznego modelowania i optymalizacji mogą być w sposób prosty i efektywny szczególnie z zastosowaniem techniki komputerowej wykorzystane przy sterowaniu odlewniczymi procesami produkcyjnymi. Artykuł został napisany na bazie rezultatów uzyskanych przy realizacji projektu badawczego Nr 9 9493 9 9 (nr umowy 370/S6/9/00) pt. Stabilizacja materiałów i geometrii tłoków silników spalinowych realizowanego na zlecenie KBN []. Keywords: aluminium alloys, piston, hardness, dimensional stability, heat treatment prof. dr inż. profesor dr inż. - adiunkt 3 mgr inż. - dyrektor Federal-Mogul Gorzyce 4 inż. - kierownik Odlewni Tłoków Federal-Mogul Gorzyce 75
. WPROWADZENIE Podstawą jakościowego odbioru tłoków są - oprócz ewentualnych widocznych wad odlewniczych czy niedoskonałości obróbki mechanicznej - głównie ich własności mechaniczne oraz stabilność wymiarowa. W Federal-Mogul Gorzyce S.A. (dawna WSK Gorzyce) najczęściej kontrolowanym parametrem własności mechanicznych jest twardość. Wielkości parametrów stabilności wymiarowej, mierzone w Zakładzie na tłokach (zgodnie z wymaganiami technicznymi TMT/50/93), określają w zasadzie st o- pień zakończenia procesów wydzieleniowych w zabiegach obróbki cieplnej... Przedmiot badań Do badań wytypowano tłok silnika samochodowego, odlewanego ze stopu aluminium. Eksperymentalne tłoki odlewane były z powszechnie stosowanego do nieda w- na w Polsce stopu AlSi3MgCuNi (AK) (wg wycofanej już Polskiej Normy PN- 76/H-8807). Również obecnie tak w Polsce, jak też na świecie zdecydowan a większość tłoków silników spalinowych produkowana jest z eutektycznego siluminu stop o- wego typu EN AC-AlSiCuNiMg (EN AC-48000) analoga stopu AK - zgodnie z obowiązującą obecnie w Polsce normą europejską na odlewnicze stopy aluminium PN-EN 706 []. Analiza obydwu powyższych norm starej i nowej pokazuje, iż stop AK wpisuje się w zakresy stężeń dodatków stopowych i zanieczyszczeń stopu EN AC-AlSiCuNiMg (tabela ). Tabela. Podstawowy skład chemiczny stopów tłokowych EN AC-AlSiCuNiMg i AK Table. Basic chemical composition of piston alloys : EN AC-AlSiCuNiMg and AK Grupa Stopu Numeryczne Oznaczenie stopu S k ł a d c h e m i c z n y, w % mas. Na podstawie symbolu chemicznego Si Cu Mg Ni Mn Fe AlSiCuNiMg EN AC-48000 EN AC-AlSiCuNiMg 0,5 3,5 0,8,5 0,8,5 0,7,3 0,35 0,8 AlSiCuNiMg AK PN--AlSiMgCuNi,5 3,0 0,8,5 0,8,5 0,8,3 0,0 0,8 Z tabeli widzimy, iż w odniesieniu do podstawowego składu chemicznego stop EN AC-AlSiCuNiMg posiada, w porównaniu ze stopem AK, zwiększone zakresy st ę- żeń Si oraz niższą dopuszczalną zawartość Ni (0,7 % mas. ). Postanowiono zbadać w warunkach Federal Mogul Gorzyce S.A. interesujące nas parametry stabilności wymiarowej i twardości na tłokach, odlanych z dwóch los o- wych (przypadkowych, przemysłowych ) partii stopu EN AC-AlSiCuNiMg (AK), różniących się nieco składem chemicznym. 76
ARCHIWUM ODLEWNICTWA W ten sposób powstały dwa warianty materiałowe stopu tłokowego typu A l- SiCuNiMg, o składach chemicznych podanych w tabeli. Tabela. Warianty materiałowe stopu EN AC-AlSiCuNiMg (AK), poddane badaniom na stabilność wymiarową i twardość, w warunkach przemysłowych Federal-Mogul Gorzyce S.A. Table. Variants of EN AC-AlSiCuNiMg (AK) alloy tested for dimensional stability and hardness under industrial operating conditions of Federal-Mogul Gorzyce S.A. Nr wariantu stopu AlSiCuNiMg S k ł a d c h e m i c z n y, w % masowych Składniki stopowe i zanieczyszczenia, pozostałe Al Si Cu Mg Ni Mn Fe I,09,9,3 0,9-0,5 II,9,4,3,4-0,64 Jak widzimy z tabeli stopy tłokowe wg wariantu I i II różnią się przede wszystkim zawartościami miedzi i niklu oraz żelaza (nieznacznie krzemu)... Cel badań Głównym celem badań była optymalizacja parametrów procesu obróbki cieplnej (temperatura i czas sztucznego starzenia) siluminów tłokowych, tak ze względu na st a- bilność wymiarową D [μm], jak i twardość HB (zależnych wyjściowych wielkości), dla dwóch wariantów materiałowych stopu tłokowego typu AK (EN AC- AlSiCuNiMg), o składach chemicznych podanych w tabeli. Niezależnymi badan y- mi (wejściowymi) czynnikami były: temperatura t [ o C] oraz czas [h] sztucznego starzenia. Poprzez rozpatrzenie dwóch wariantów materiałowych stopu AlSiCuNiMg uwzględniono również w pewnym stopniu - czynniki związane z jego składem chemicznym. Dodatkowo, w celu porównania ze sztucznym starzeniem i sprawdzenia celowości praktycznego przemysłowego zastosowania, wykonano pomiary porównawcze badanych parametrów stabilności wymiarowej i twardości dla pełnej obróbki cieplnej, tj. przesycania + sztucznego starzenia. 77
. METODYKA BADAŃ Z uwagi na chęć obniżenia kosztów i czasu badań, postanowiono przeprowadzić je z zastosowaniem metod matematycznego planowania doświadczeń [3]. Na bazie an a- lizy danych literaturowych oraz własnych doświadczeń, zaproponowano ustalenie n a- stępujących poziomów (kodowanych i rzeczywistych) zmiennych wejściowych (niezależnych) czynników (tabela 3). Tabela 3. Poziomy rzeczywiste i kodowane dla wejściowych (niezależnych) czynników [] Table 3. True and coded levels for input (independent) factors [] Poziom kodowany Poziom rzeczywisty czynników badanych czynników badanych Temperatura, t [ o C] Czas, [h] Górny X i = + 50 5 Podstawowy X i = 0 Dolny X i = 0 0 70 5 Dla dwuczynnikowego (X = t ; X = ) układu wybrano następujący plan eksperymentu (patrz tabela 4). Tabela 4. Plan eksperymentu [,3] Table 4. Plan of experiment [,3] Nr doświadczenia Wartości kodowane Wartości rzeczywiste Parametry mierzone X X t, [ o C], [h] HB D, [μm] 70 5 + 50 5 3 + 70 5 4 + + 50 5 5 + 0 50 0 6 0 + 0 5 7 0 0 0 0.. Wykonanie wytopów doświadczalnych Badania wykonywane były w warunkach laboratoryjno-przemysłowych Federal Mogul. Tłoki z wariantów materiałowych I i II stopu AlSiCuNiMg wykonane zostały (odlane i obrobione mechanicznie) jednakowo, zgodnie z obowiązującymi w Federal- Mogul Gorzyce wymogami technologicznymi. Stop tłokowy (dla danego wariantu materiałowego) roztapiano w indukcyjnym piecu topialnym typu Junker. Tłoki odlewano 78
ARCHIWUM ODLEWNICTWA w kokilach na stanowisku produkcyjnym. Obróbkę cieplną (sztuczne starzenie zgodnie z planem eksperymentu) przeprowadzano w piecu do starzenia, z wymuszonym obiegiem powietrza (dokładność uzyskiwanej temperatury wynosiła ±5 [ o C])... Metodyka oceny stabilności wymiarowej Badania stabilności wymiarowej (trwałych zmian wymiarowych) wykonywane były zgodnie z wymaganiami zakładowymi TMT/50/93. Próba stabilności polegała na dwukrotnym pomiarze średnic tłoków: przed- i po obciążeniu cieplnym. Pierwotny pomiar wykonywany był na gotowym technologicznie (odlanym, obrobionym cieplnie, a zatem mechanicznie) tłoku. Pomiary wykonywane były w dwóch płaszczyznach (P P równoległej- oraz T T - prostopadłej do osi sworznia), a także na trzech wysokościach. Powtórny pomiar w analogicznych miejscach wykonywany był po określonym obciążeniu cieplnym. Obciążenie to wygrzewanie - dokonywane było w laboratoryjnym piecu grzewczym, z wymuszonym obiegiem ciepła, z dokładnością ±3 [ o C]. W stosunku do wybranego typu tłoka silnika samochodowego obowiązywał schemat obciążenia cieplnego, polegający na wygrzewaniu w temperaturze 40 [ o C] w czasie 5 godzin [h]. Po ochłodzeniu tłoka do temperatury pokojowej, poddawany był on powtórnemu mierzeniu. Pomiary średnic wykonywane były w kontrolowanych warunkach o stałej temperaturze pokojowej (ok. 0 [ o C]), za pomocą długościomierza Abbe'go, z dokładnością [μm] (0,00 [mm]). Każdą średnicę mierzono trzykrotnie. Ostatecznie końcowym wynikiem pomiaru stabilności wymiarowej dla danego rodzaju obróbki cieplnej (zgodnie z planem eksperymentów) był uogólniony (uśredniony) rezultat 8. trwałych zmian wymiarowych średnic D..3. Metodyka oceny twardości Pomiary twardości wykonywane były metodą Brinella, z oznaczeniem na denku tłoka. Do pomiarów twardości wykorzystywano kulkę o średnicy 0 [mm]. Wielkość obciążenia wynosiła 000 [kg]; jego czas - 30 [s]. Końcowy wynik twardości HB to rezultat trzech pomiarów. 79
3. ZESTAWIENIE WYNIKÓW BADAŃ Zbiorcze zestawienie końcowych wyników pomiarów twardości i trwałych zmian wymiarowych dla I i II wariantu materiałowego stopu AlSiCuNiMg podano w poniższej tabeli 5. Tabela 5. Zestawienie uśrednionych danych eksperymentalnych z pomiarów stabilności wymiarowej i twardości, dla tłoków wykonanych ze stopu AlSiCuNiMg (wariant I i II materiałowy), w zależności od sposobu obróbki cieplnej Table 5. Compiled averaged experimental data on measurements of dimensional stability and hardness of pistons made from AlSiCuNiMg alloy (piston material in variant I and II) vs type of heat treatment process Nr Wartości Wartości Mierzone parametry Y doświadczenia kodowane rzeczywiste I wariant II wariant X X t, [ o C], [h] HB D, [μm] HB D, [μm] Sztuczne starzenie (SS), zgodnie z planem eksperymentu - - 70 5 09.0 7.9 3.7 9.8 + - 50 5 95.7 4.9 9.5 5.0 3 - + 70 5.3 4. 3.3 6.4 4 + + 50 5 86.7.9 86.6 3.5 5 + 0 50 0 89.0. 88.6 8.3 6 0 + 0 5 03.5 6. 05.0 4.8 7 0 0 0 0 03.0 9.3 06.7 8.4 Przesycanie (P) + sztuczne starzenie (SS) 8 P - 50 o C/3h ; SS - 0 o C/6h 6.5 6.4 4.0 6.0 Z danych tabeli 5 widzimy, że wraz ze zmianą warunków sztucznego starzenia - tak dla I, jak i II wariantu materiałowego - następują podobne zmiany we właściwościach (HB i D). Dla drugiego wariantu materiałowego uzyskujemy, przy niższych temperaturach starzenia, większe twardości i zwiększone trwałe odkształcenia stopu. Dla drugiego wariantu obserwujemy również nadmierny wzrost trwałych przyrostów w próbie stabilności wymiarowej. Wyniki doświadczenia 8. częściowo potwierdzają znany z literatury specjalistycznej fakt odchodzenia w ostatnim czasie od przesycania tłoków w procesie ich wytwarzania. 80
ARCHIWUM ODLEWNICTWA 4. MATEMATYCZNE MODELOWANIE Uzyskane wyniki pomiarów mierzonych wielkości wyjściowych (zależnych czynników badanych) Y( D, HB) w doświadczeniach 7 pozwalają na ich matematyczny opis, w zależności od zmiennych niezależnych czynników X i (X, X ) wg poniższego wzoru (): Y a0 a X a X ax X ax ax, () gdzie: a 0, a i, a ii (i =, ) współczynniki równania regresji ; X temperatura t [ 0 C], w wartościach kodowanych ; X czas [h], w wartościach kodowanych. Pomiędzy wartościami rzeczywistymi(t i ) oraz kodowanymi (X i X ) istnieją zależności normowania (): 0 t τ 0 X, X, () 40 5 Otrzymane na bazie modeli (7.) równania regresji, pozwalają na wykreślenie zmian parametrów stabilności wymiarowej i twardości w zależności od warunków (temperatury i czasu) sztucznego starzenia. Eksperymentalne dane poddane zostały statystycznej obróbce, przy wykorzyst a- niu programu (pakietu) STATISTICA PL [4], w celu wyznaczenia współczynników modeli matematycznych oraz oceny ich istotności. Dla wyników twardości (HB), jako ba r- dzo stabilnych i powtarzalnych danych, przyjmowano za istotne współczynniki równań regresji na poziomie ufności (lub z prawdopodobieństwem objęcia) równym 0,95 (95 %), tj. = 0,05 (5 %); rezultaty oceny zmian wymiarowych, charakteryzują się większym rozrzutem dla pojedynczego doświadczenia, dlatego też w tym przypadku poziom ufności ustalono na 0,90 (90 %). W wyniku przeprowadzenia procedur obliczeniowych, wykorzystując do tego dane tabeli 5, ostatecznie uzyskano następujące postacie modeli matematycznych opisujące zależność wielkości wyjś ciowych od badanych czynników wejściowych X i X. 4.. Modele matematyczne dla I wariantu materiałowego Y (HB) 0 X ; (3), 993 9, 477X, 677X, 85X X 4, 50X, 90 (R = 0,999, R = 0,999, popr. R = 0,999; przy = 0,05) Y ( 8 X ; (4) D), 5, 358X, 6X 6, 8 (R = 0,997, R = 0,994, popr. R = 0,988; przy = 0,0) 4.. Modele matematyczne dla II wariantu materiałowego Y (HB) 06 X ; (5), 533, 300X, 367X 5, X X 5, 333 (R = 0,999, R = 0,999, popr. R = 0,999; przy = 0,05) 8
Y ( 8 X ; (6) D), 59, 893X, 536X 3, 857 (R = 0,995, R = 0,990, popr. R = 0,98; przy = 0,0) Przy każdym równaniu podano miary dopasowania wyników z równań apro k- symacyjnych w stosunku do danych eksperymentalnych w postaci: R współczynnika korelacji, R współczynnika determinacji czy popr. R poprawionego współczynnika determinacji [4]. Z wielkości R, R i popr. R, bliskich jedności wnioskujemy, że modele (powyższe równania regresji) w sposób wielce zadowalający opisują dane eksperymentalne. W celu potwierdzenia tego faktu porównamy wartości eksperymentalne z obliczeniowymi (na bazie otrzymanych modeli) dla poszczególnych punktów planu eksperymentu (tabela 6). Tabela 6. Porównanie rzeczywistych obserwowanych wartości twardości HB i zmian wymiarowych D w odniesieniu do analogicznych danych obliczeniowych (wyznaczonych z modelu matematycznego) dla I i II wariantu materiałowego stopu AK w punktach planu eksperymentu Table 6. True hardness values HB and dimensional changes D compared with analogical data obtained by computations (from mathematical model) for variant I and II of AK piston alloy at points of the plan of experiment Nr doświadczenia Wartości kodowane Wariant I Wariant II dane eksperymentalne dane obliczeniowe dane eksperymentalne dane obliczeniowe X X HB D HB D HB D HB D. - - 09,0 7,9 09,0 7,7 3.7 9.8 3.7 8.. + - 95,7 4,9 95,7 4,9 9.5 5.0 9.4 4.3 3. - +,3 4,,3 4,4 3.3 6.4 3. 8. 4. + + 86,7,9 86,7,7 86.6 3.5 86.4 4.3 5. + 0 89,0, 89,0 3,3 88.6 8.3 88.9 8. 6. 0 + 03,5 6, 03,5 6,9 05.0 4.8 05. 4.7 7. 0 0 03,0 9,3 03,0 8,5 06.7 8.4 06.5 8.5 Z danych poniższej tabeli 6 widzimy że model matematyczny dla Y(HB) w idealny sposób opisuje eksperymentalne dane. Dokładność opisu danych stabilności wymiarowej Y( D) jest również dostatecznie dobra. 8
ARCHIWUM ODLEWNICTWA 5. GRAFICZNA INTERPRETACJA MODELI MATEMATYCZNYCH Modele matematyczne dla Y(HB) i Y ( D) można wykorzystać do geometrycznej interpretacji uzyskanych wyników. Wpływ poszczególnych badanych czynników (X i X) na wielkości wyjściowe Y X i (HB) i Y ( D) analizowano za pomocą tzw. quasi-jednoczynnikowych modeli W typu (7) []: X W Y{X } a ( a a X )X a X, (7) i gdzie: Yj i 0 j i ij j i ii ii j a - wyraz wolny, odzwierciedlający wpływ na wielkość wyjściową Y (j = 0j j, ) wszystkich członów wielomianu, poza włączonymi do quasijednoczynnikowego modelu ; X - czynnik, którego wpływ na Y j jest badany (i =,). i Na poniższych wykresach quasi-jednoczynnikowego wpływu wielkości wejściowych X na parametry optymalizacji Y pokazano trzy krzywe: dwie skrajne dla X i X oraz środkową (centralną) dla X 0. j j j j Zakreskowane pole na wykresie quasi-jednoczynnikowego wpływu świadczy o istotności efektów interakcji, w danym przypadku oddziaływania drugiego czynnika badanego na badany parametr optymalizacji. Rysunek przedstawia wykresy quasi-jednoczynnikowego wpływu temperatury t [X] oraz czas [X ) wygrzewania tłoków w procesie sztucznego starzenia na zmiany twardości HB stopu tłokowego (I wariant materiałowy). j j Y j W X Y ( HB ) 0 X W Y ( HB ) 8 5 6 0 4-5 -0 0-5 - -0-0 70 0 50 t, [ 0 C] -4-0 5 0 5, [h] Rys.. Wpływ temperatury t [ 0 C] (X ) i czasu starzenia [h] (X ) na twardość HB tłoków stopu AlSiCuNiMg (I wariant materiałowy) Fig.. Effect of temperature t [ 0 C] (X ) and ageing time [h] (X ) on hardness HB of AlSiCuNiMg piston alloy (I variant of piston material) 83
Z kolei niżej, na rys., zaprezentowane zostały analogiczne wykresy dla drugiego wariantu materiałowego stopu AlSiCuNiMg. Z danych rysunków i wynika, iż wraz ze wzrostem temperatury i czasu starzenia zmniejsza się twardość tłoków. Zmiana temperatury starzenia ze 70 do 50 [ 0 C] może spowodować znaczący spadek twardości tłoków ze stopu AlSiCuNiMg, tj. o ok. 0 jednostek HB. Szczególnie intensywne obniżenie twardości HB ma miejsce w wysokich (> 00 [ 0 C] temperaturach. Wpływ czasu jest mniej spektakularny: przy zwiększeniu czasu starzenia z 5 do 5 [h] twardość tłoków może średni zmniejszyć się o... 4 jednostki twardości Brinella. X W Y ( HB ) 0 X W Y ( HB ) 4 5 0-5 0-0 - -5-0 - 0 70 0 50 t, [ 0 C] -4-0 5 0 5, [h] Rys. Wpływu temperatury t [ 0 C] (X ) i czasu starzenia [h] (X ) na twardość HB tłoków ze stopu AlSiCuNiMg (II wariant materiałowy) Fig.. Effect of temperature t [ 0 C] (X ) and ageing time [h] (X ) on hardness HB of AlSiCuNiMg piston alloy (II variant of piston material) Na poniższym rys. 3 zaprezentowano wykresy quasi-jednoczynnikowego wpływu temperatury t [X] oraz czas [X ) wygrzewania tłoków w procesie sztucznego starzenia na trwałe zmiany wymiarów tłoków D ze stopu tłokowego AlSiCuNiMg dla jego I wariantu materiałowego. 84
ARCHIWUM ODLEWNICTWA X W Y ( D ) 0 5 0 5 0-5 -0-0 70 0 50 t, [ 0 C] W X Y ( D ),5 0,5 0-0,5 - -,5 - - 0 5 0 5, [h] Rys. 3. Wpływ temperatury t [ 0 C] (X ) i czasu starzenia [h] (X ) na trwałe zmiany wymiarowe D tłoków ze stopu AlSiCuNiMg (I wariant materiałowy) Fig. 3. Effect of temperature t [ 0 C] (X ) and ageing time [h] (X ) on permanent dimensional changes D in pistons made from AlSiCuNiMg alloy (I variant of piston material) Konsekwentnie rysunek 4 pokazuje analogiczne quasi-jednoczynnikowe zależności wpływu temperatury t [X] oraz czasu [X ) starzenia tłoków na trwałe zmiany ich wymiarów D, dla badanego II wariantu stopu AlSiCuNiMg. W X Y ( D ) 5 0 5 0 5 0-5 - 0 70 0 50 t, [ 0 C] X W Y ( D ) 0-0,5 - -,5 - -,5-3 -3,5-4 -4,5-0 5 0 5, [h] Rys. 4. Wykresy quasi-jednoczynnikowego wpływu temperatury t [ 0 C] (X ) i czasu starzenia [h] (X ) na trwałe zmiany wymiarowe D tłoków ze stopu AlSiCuNiMg (II wariant materiałowy) Fig. 4. Plotted curves of quasi monofactorial effect of temperature t [ 0 C] (X ) and ageing time [h] (X ) on permanent dimensional changes D in pistons made from AlSiCuNiMg alloy (II variant of piston material) 85
Z danych rysunków 3 i 4 wynika, iż wzrost temperatury starzenia obniża wielkość trwałych przyrostów tłoków znajdujących się pod wpływem statycznych obciążeń cieplnych, praktycznie proporcjonalnie w całym zakresie badań. Charakter zmian D wraz ze wzrostem temperatury (X ) jest podobny dla obydwu przypadków materiałowych badanego gatunku stopu tłokowego. Podobnie jak w przypadku twardości, zmiana temperatury starzenia w badanym zakresie (70... 50 [ 0 C]) może spowodować istotne ( D... 5 [ m]) zmiany w parametrach stabilności wymiarowej. Oddziaływanie temperatury - w danym przypadku - jest szczególnie silne w zakresie temperatur 70...30 [ 0 C]. Na bazie wykresów rys. 3 i 4. można wysnuć wniosek o istnieniu względem parametru D krytycznej temperatury na poziomie ok. 30... 35 [ 0 C], powyżej której trwałe zmiany wymiarowe tłoków nie będą malały. X Odmienny jest przebieg wykresu W w funkcji X dla drugiego wariantu, Y ( D ) w porównaniu z wariantem pierwszym. W rozpatrywanym przypadku (II wariant mat e- riałowy), w przedziale czasu 5...0 godzin, obserwujemy wzrost trwałych przyrostów w zależności od czasu starzenia. Można to tłumaczyć tym, iż stop AlSiCuNiMg drugiego wariantu posiada większe zawartość krzemu, miedzi (o ok. 0, [%]) i niklu, w porównaniu ze stopem I wariantu pierwszego; dlatego też - prawdopodobnie - w procesie właściwej obróbki cieplnej stopu nie nastąpił pełny stopień wydzielenia z roztworu st a- łego związków międzymetalicznych. Proces ten był kontynuowany w procesie próby stabilności (obciążenia termicznego po obróbce cieplnej). W realnych warunkach nastąpił by on w warunkach eksploatacji tłoka. W zakresie 0...5 [h] obserwujemy już sp a- dek przyrostów D, zgodny z oczekiwaniami. Ogólnie, tak w pierwszym jak i drugim przypadku, wydłużenie czasu starzenia tłoków od 5 do 5 [h] może spowodować późniejsze trwałe zmiany wymiarów jedynie w zakresie kilku (... 4 ) mikrometrów. 6. OPTYMALIZACJA Otrzymane równania regresji (modele matematyczne) oraz graficzna ich interpretacja w postaci modeli quasi-jednoczynnikowego wpływu pozwalają na dokonanie wstępnej oceny optymalnych rozwiązań. Rozpatrywany przez nas przypadek obróbki cieplnej stopu tłokowego jest typowym przykładem optymalizacji warunkowej, wymagającej kompromisowych rozwiązań. Ogólnie rzecz biorąc zmiany czynników badanych (temperatury i czasu) starzenia w kierunku wzrostu twardości HB, prowadzić będą - zazwyczaj - w stronę obniżenia parametrów stabilności wymiarowej. W danej sytuacji dobrać parametry obróbki cieplnej, ze względu na twardość i stabilność wymiarową) możemy analitycznie (czy numerycznie), bądź graficznie. Zagadnienie numerycznego przeszukiwania wieloczynnikowych obiektów w przestrzeni wielowymiarowej autorzy opisali w pracy [5]. Tutaj z uwagi na stosunkową prostotę sytuacji zatrzymamy się na graficznej optymalizacji, przy wykorzystaniu wykresów warstwicowych. Na poniższych dwóch rysunkach 5 i 6 pokazujemy wykresy warstwicowe pokazujące zmiany twardości (HB) i trwałych zmian wymiarowych ( D) dla II wariantu materiałowego w funkcji temperatury (X ) i czasu starzenia (X ). Dla twardości HB obserwujemy typo- 86
ARCHIWUM ODLEWNICTWA wy 3D wykres o charakterze parabolicznym; dla D w pewnym obszarze (t > 0 [ 0 C] i z zakresu 5... 5 [h] obserwujemy typowy hiperboliczny przekrój "siodłowy". Z danych wykresów rysunków 5 i 6 wynika, iż pożądane zmiany twardości i stabilności idą w przeciwnych kierunkach. Podobne zależności możemy wykreślić dla I wariantu; nie czynimy tego z uwagi ograniczenia co do wielkości publikacji. Krótko tylko odnotujemy, iż zmiana składu stopu AlSiCuNiMg (tabela ) powoduje przesunięcia izolinii głównie względem czynnika X - temperatury. Przemieszczenie w fazie dla twardości wynosi o ok. 4 jednostek HB, tj. twardość tłoków II wariantu jest większa wzdłuż osi X, w porównaniu do tłoków I wariantu materiałowego; w tym samym czas ie przesunięcie trwałych zmian wymiarowych wynosi ok.... 3 [ m] i ma kierunek przeciwny w stosunku do twardości. Nałożenie na siebie dwóch wykresów rysunków 5 i 6 pozwala zlokalizować p o- żądane zakresy wartości cieplnej (starzenia) z uwagi na HB i D w granicach: t (temperatura starzenia) 0... 30 [ 0 C] ; (czas starzenia) 8... [h]. Ostatecznie przyjmujemy za optymalne z uwagi na twardość (HB) i stabilność wymiarową ( D ) parametry obróbki cieplnej dla II wariantu materiałowego w postaci : t = 0 [ 0 C] i = 0 [h].. czas 5 0 5, [h] X, 0,8 0,4 0,0-0,4-0,8 M A X Wykres warstwicowy 3W (wariant II.STA 9v*7c) Y(HB) = 06,533 -,300* X -,367*X -,5*X^ -5,333*X^ -, -, -0,8-0,4 0,0 0,4 0,8 X, 70 0 50 t, [ 0 C] temperatura Rys. 5. Wykres warstwicowy zmian twardości tłoków wykonanych ze stopu AlSiCuMgNi (II wariant materiałowy), ze zmianą parametrów sztucznego starzenia Fig. 5. Contour line diagram of changes in hardness of pistons made from AlSiCuMgNi alloy (II variant of piston material) with changes in artificial ageing parameters 80 84 88 9 96 00 04 08 6 0 87
czas 5 0 5, [h] Wykres w arstw icow y 3W (w ariant II.STA 9v*7c) X Y(dD) = 8,57 -,893*X +,536*X^ -3,857*X^, 0,8 0,4 0,0 M I N -0,4-0,8 -, -, -0,8-0,4 0,0 0,4 0,8, X 3 6 9 5 8 4 7 30 33 36 70 0 50 t, [ 0 C] temperatura Rys.6. Wykres warstwicowy trwałych zmian wymiarowych tłoków, wykonany ch ze stopu Al- SiCuMgNi (II wariant materiałowy), ze zmianą parametrów sztucznego starzenia Fig. 6. Contour line diagram of permanent changes in dimensions of pistons made from AlSiCuMgNi alloy (II variant of piston material) with changes in artificial ageing parameters Analizując izolinie wykresów warstwicowych dla konkretnych rozwiązań mat e- riałowych stopów, przy ostatecznym wyborze optymalnych parametrów obróbki ciep l- nej należy brać pod uwagę m.in. fakt, iż zwiększenie (znaczne - jak w naszym przykładzie) czasu [h] wygrzewania w znacznie większym stopniu podraża koszty technologicznej operacji obróbki cieplnej, w porównaniu z nakładami związanymi z pewnego (często nieznacznego) podwyższenia temperatury starzenia t [ 0 C]. 7. WNIOSKI KOŃCOWE. Dobór optymalnych parametrów procesu obróbki cieplnej (temperatury i czasu st a- rzenia) tłoków jest sprawą kompromisowego wyboru pomiędzy odpowiednim p o- ziomem ich twardości a stopniem trwałych zmian wymiarowych w warunkach eksploatacji.. Wyniki przeprowadzonych badań wskazują jednoznacznie, iż znacznie większy wpływ na parametry twardości tłoków i ich stabilności wymiarowej mają zmiany temperatury niż czasu wygrzewania podczas procesu starzenia. Fakt ten ma ważne implikacje dla praktyki przemysłowej z uwagi na aspekty ekonomiczne procesów obróbki cieplnej tłoków. 3. Wcześniejsze przed starzeniem przesycanie stopu typu AlSiCuNiMg powoduje znaczący wzrost twardości tłoków, jednakże może przyczynić się do nadmiernych 88
ARCHIWUM ODLEWNICTWA trwałych odkształceń w warunkach pracy stopów. Obserwujemy, iż stop II wariantu zawierający nieco większe stężenia Si, Cu i Ni (jednak w granicach normy) powoduje prawie,5 razy większe trwałe przyrosty, w porównaniu ze stopem wariantu I (tabela ). 4. Pokazano istotną zmienność parametrów stabilności wymiarowej i twardości wraz z niewielką zmianą w składzie chemicznym stopu ASiCuNiMg w granicach no r- my PN-EN 706 (czy dawnej PN-76/H-8807). Oznacza to, że każda korekta składu chemicznego standardowego stopu tłokowego czy też wprowadzenie nowego (znormalizowanego bądź zsyntetyzowanego) wymaga przeprowadzania procedur optymalizacyjnych ze względu na stawiane wymagania. 5. Zaprezentowana została prosta i efektywna procedura optymalizacji procesu obró b- ki cieplnej tłoków z okołoeutektycznych siluminów stopowych, która może być wykorzystana po pewnych modyfikacjach do sterowania innymi procesami odlewniczymi. LITERATURA [] Z. Lech, E. Czekaj: Sprawozdanie końcowe projektu badawczego pt.: Stabilizacja materiałów i geometrii tłoków silników spalinowych. Tom III, cz.. Kraków, 994. [] Polska Norma PN-EN 706: Aluminium i stopy aluminium. Odlewy. Skład chemiczny i własności mechaniczne. Polski Komitet Normalizacyjny. Marzec 00. [3 Z. Polański: Planowanie doświadczeń w technice. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 984. [4] A.Stanisz: Przystępny kurs statystyki z wykorzystaniem programu STATISTIKA PL na przykładach z medycyny. Tom II. Kraków, 000. [5] Z. Lech, E. Czekaj: Optymalizacja składu chemicznego siluminów tłokowych typu eutektycznego pod względem stabilności wymiarowej i właściwości mechanicznych. Biuletyn Instytutu Odlewnictwa, Numer Specjalny (z Przeglądem Odlewnictwa 7-8 00) 00, Kraków. S. 3-. OPTIMIS ING THE HEAT TREATMENT PROCESS FOR AlSiCuNiMg PISTON ALLOY IN RESPECT OF ITS HARDNESS AND DIMENS IONAL STABILITY UNDER INDUSTRIAL CONDITIONS SUMMARY The study gives the results of optimising the heat treatment process (ageing) ca r- ried out under industrial conditions at Federal-Mogul Gorzyce S.A. (former WSK Gorzyce). The subject of trials were pistons for POLONEZ car engine cast from standard around-eutectic alloyed silumin of the type AlSiCuNiMg. 89
The main object of the studies was the choice of optimum parameters (temperature and time) of the ageing heat treatment, taking into account the hardness and dimensional stability of pistons. An additional goal of this presentation was to prove that some procedures adopted in mathematical and statistic modelling and optimis ation can be in a simple and effective way, specially when using computer technique, applied in control of foundry production processes. The study was made basing on the results obtained during execution of Research Project No. 9 9493 9 0 (contract no. 370/S6/9/00) entitled: Stabilising materials and geometry of pistons for I.C. engines, supervised by the State Committee of Scientific Research. Recenzował: prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 90