KONTROLA PRODUKCJI WYSOKOJAKOŚCIOWYCH STOPÓW ODLEWNICZYCH METODĄ ATD

K O M I S J A B U D O W Y M A S Z Y N P A N O D D Z I A Ł W P O Z N A N I U Vol. 24 nr 3 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2004 Stanisław Pietrowski, Grzegorz Gumienny ** Bogusław Pisarek ***, Ryszard Władysiak **** KONTROLA PRODUKCJI WYSOKOJAKOŚCIOWYCH STOPÓW ODLEWNICZYCH METODĄ ATD W pracy przedstawiono możliwości wykorzystania metody ATD do budowy programów komputerowych kontroli produkcji wysokojakościowych stopów odlewniczych aluminium oraz żeliwa. Słowa kluczowe: siluminy, żeliwo, staliwo, kontrola, metoda ATD 1. WSTĘP Analiza termiczna i derywacyjna (ATD) jest obecnie najlepszą metodą kontroli produkcji stopów. Na krzywej derywacyjnej (dt/d =f ( )) występują efekty cieplne od krystalizacji wszystkich faz wydzielających się z ciekłego i stałego stopu. W powiązaniu z wykresem równowagi fazowej stopu oraz identyfikacją rentgenowską faz, metoda ATD umożliwia określenie: rodzaju krystalizującej fazy (lub ich mieszaniny) z cieczy lub w stanie stałym, kolejności krystalizacji faz oraz temperatury (na krzywej stygnięcia t=f( )) początku i końca ich krystalizacji. Rodzaj i temperatura krystalizujących faz są funkcją składu chemicznego stopu i zabiegów metalurgicznych. Własności mechaniczne stopu są funkcją mikrostruktury. W związku z tym, występują określone zależności statystyczne pomiędzy charakterystycznymi wielkościami krzywych ATD, a składem chemicznym stopu, zabiegami metalurgicznymi, mikrostrukturą i własnościami Prof. dr hab. inż. ** Dr inż. *** Dr inż. **** Dr inż. } Katedra Systemów Produkcji Politechniki Łódzkiej

132 S.Pietrowski, G.Gumienny, B.Pisarek, R.Władysiak mechanicznymi. Zagadnienie to przedstawiono w pracach [1 8]. Zależności statystyczne stanowią podstawę budowy algorytmu autorskich programów komputerowych kontroli produkcji wysokojakościowych stopów, które zostały wdrożone w odlewniach siluminów, żeliwa i staliwa [9 13]. Istotną zaletą metody ATD jest krótki czas, nie przekraczający 6 min, kontroli mikrostruktury i wynikających z niej własności mechanicznych: Rm, R p0,2, A 5, HB, KCU stopów. Umożliwia to korektę ciekłego metalu przed odlaniem go do form, co likwiduje braki odlewów spowodowane złą jakością stopu. W niniejszej pracy przedstawiono przykładowe krzywe ATD wysokojakościowych stopów odlewniczych i możliwości ich kontroli z wykorzystaniem programu komputerowego. 2. METODYKA BADAŃ Reprezentatywne dla warunków laboratoryjnych i produkcyjnych stanowisko kontroli stopów z wykorzystaniem metody ATD przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Stanowisko kontroli stopów z wykorzystaniem metody ATD Fig. 1. Control stand of alloy with make use of method ATD

133 Kontrola wysokojakościowych stopów odlewniczych metodą ATD 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. 3. WYNIKI BADAŃ Na rysunkach 2 8 (a, przedstawiono krzywe ATD i mikrostrukturę odpowiednio następujących gatunków stopów: siluminu wieloskładnikowego AlSi18Mg1,2Cu4Cr0,5Mo0,4 (rys. 2(a,); żeliwa Ni-resist (rys. 3(a,); (2,55% C, 2,03% Si, 1,12% Mn, 1,27% Cr, 13,82% Ni, 5,27% Cu), żeliwa wermikularnego (rys.4(a,) (3,61% C, 2,63% Si, 0,96% Mn), żeliwa sferoidalnego gatunku EN-GJS-400-15 (rys. 5(a,); (3,57% C, 2,56% Si, 0,14% Mn), staliwa węglowego gatunku GC40 (rys. 6(a,); (0,49% C, 0,54% Si, 0,76% Mn), staliwa stopowego gatunku GX20Cr56 (rys. 7(a,); (0,29% C, 13,29% Cr), staliwa stopowego gatunku GXCrNi72-36 (rys. 8(a,); (0,17% C, 17,93% Cr, 9,81% Ni). Na krzywych derywacyjnych zaznaczono wyłącznie maksymalne efekty cieplne od krystalizacji faz lub ich mieszaniny. Szczegółową interpretację efektów cieplnych na krzywych krystalizacji poszczególnych stopów opisano w pracach [1 8]. Z przedstawionych na rys. 2 8(a) 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: K szybkość zmian temperatury [ C/s], t temperatura [ C], - czas od początku pomiaru [s], Z intensywność zmian temperatury (jako tangens kąta nachylenia efektu cieplnego) [ C/s 2 ]. Pomiędzy tymi wielkościami, a własnościami mechanicznymi stopu określa się zależności statystyczne. Przykładowo, dla staliwa niestopowego gatunku GC40 przedstawiają się one następująco:

S.Pietrowski, G.Gumienny, B.Pisarek, R.Władysiak wytrzymałość na rozciąganie: 134 R m = 3088,8 + 3,638 ta 4,024 te 1,391 tj + 266,83 KB + 160,34 KE 13,12 KJ (1) parametry statystyczne: R m s = 622MPa; dr m = 1,84%; R = 0,97; F = 24,87; W = 11,23 umowna granica sprężystości: R p0,2 = 946,6 + 0,8727 ta 0,9535 te 0,3377tJ + 8,50 KA + 62,29 KB 46,17 KE (2) parametry statystyczne: R p0,2 s = 365,3MPa; dr p0,2 = 1,17%; R = 0,96; F = 14,92; W = 6,97 wydłużenie: A 5 = -2,7 0,06187 tb + 0,07349 te 4,22 KB + 2,07 KE + 0,56 KJ (3) parametry statystyczne: A 5 s = 17,96%; da 5 = 1,50%; R = 0,96; F = 17,05; W = 7,69 twardość: HB = 190,2 0,40676 ta + 0,38477 te 47,87 KA 22,75 KE + 2,45 KJ (4) parametry statystyczne: HBs = 182,1; dhb = 1,08%; R = 0,98; F = 32,86; W = 13,26 udarność KCU = 9,8 + 0,02555 tb + 0,03135 te 0,03809 tj + 3,01 KA + 2,42 KB (5) parametry statystyczne: KCUs = 42,54J/cm 2 ; dkcu = 1,11%; R = 0,95; F = 14,00; W = 6,42. Na ich podstawie opracowuje się algorytm programu komputerowego kontroli produkcji stopów.

135 Kontrola wysokojakościowych stopów odlewniczych metodą ATD a) 750 A K D F G H J 1 700 0 650-1 t, C 600 550 dt/d = f '( ) -2 dt/d, C/s 500 450 400 Oznaczenie efektów cieplnych krystalizacji: A - fazy przedeutektycznej lub ; w siluminach okołoeutektycznych nie występuje K - perytektycznej lub eutektycznej 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 Mikrostruktura: fazy: (Al), (Si), Al 13 Cr 4 Si 4, Cr(AlSi) 2, AlSiMo, Mg 2 Si, Al 2 Cu, Al(SiMgCuCrMo) 20 m Microstructure: phases: (Al), (Si), Al 13 Cr 4 Si 4, Cr(AlSi) 2, AlSiMo, Mg 2 Si, Al 2 Cu, Al(SiMgCuCrMo) Rys. 2. Krzywe ATD (a) i mikrostruktura ( siluminu AlSi18Mg1,2Cu4Cr0,5Mo0,4 ( Fig. 2. TDA curves (a) and microstructure of silumin AlSi18Mg1,2Cu4Cr0,5Mo0,4 (

a) 1300 S.Pietrowski, G.Gumienny, B.Pisarek, R.Władysiak 136 1 A E E' J 1250 0 1200-1 t, C 1150 dt/d =f '( ) -2 dt/d, C/s 1100-3 1050 Oznaczenie efektów cieplnych krystalizacji: 1000 A - austenitu t=f( ) E - eutektyki austenit+grafit E' - eutektyki austenit+grafit+węgliki (Fe,Cr,Mn) C 3 J - koniec krystalizacji -4 0 50 100 150 200 250 300 350 400, s Mikrostruktura: grafit płatkowy, węgliki ledeburytyczne (Fe,Cr,Mn) 3 C, wtrącenia niemetalowe 40 m Microstructure: flake graphite, ledeburite carbides (Fe,Cr,Mn) 3 C, non-metallic inclusions Rys. 3. Krzywe ATD (a) i mikrostruktura ( żeliwa Ni-resist Fig. 3. TDA curves (a) and microstructure ( of Ni-resist cast iron

a) 1300 137 Kontrola wysokojakościowych stopów odlewniczych metodą ATD 1 A E J 1250 0 1200 dt/d =f '( ) -1 t, C 1150-2 dt/d, C/s 1100 Oznaczenie efektów cieplnych krystalizacji: -3 1050 A - austenitu E - eutektyki austenit+grafit J - koniec krystalizacji t=f( ) -4 1000 0 50 100 150 200 250 300 350 400, s Mikrostruktura: grafit wermikularny, ferryt, perlit, wtrącenia niemetalowe 20 m Microstructure: vermicular graphite, ferrite, pearlite non-metallic inclusions Rys. 4. Krzywe ATD (a) i mikrostruktura ( żeliwa wermikularnego Fig. 4. TDA curves (a) and microstructure ( of vermicular graphite cast iron

a) 1250 S.Pietrowski, G.Gumienny, B.Pisarek, R.Władysiak A E J K M L 138 1 1200 0 t, C 1150 1100 dt/d =f '( ) -1-2 dt/d, C/s 1050 1000 Oznaczenie efektów cieplnych krystalizacji: t=f( ) A- grafitu sferoidalnego E - eutektyki austenit+grafit sferoidalny J - koniec krystalizacji KML- efektu spowodowanego zmniejszeniem przewodnictwa cieplnego przez grafit kulkowy 0 50 100 150 200 250 300 350 400, s Mikrostruktura: grafit kulkowy, ferryt, wtrącenia niemetalowe -3-4 40 m Microstructure: modular graphite, ferrite, non-metallic inclusions Rys. 5. Krzywe ATD (a) i mikrostruktura ( żeliwa sferoidalnego gatunku EN-GJS-400-15 Fig. 5. TDA curves (a) and the microstructure ( of EN-GJS-400-15 ductile cast iron

o o a) 139 1500 Kontrola wysokojakościowych stopów odlewniczych metodą ATD A BE J 1 1450 0 1400 1350-1 t, C 1300 1250 t=f( ) dt/d =f '( ) Oznaczenie efektów cieplnych krystalizacji: -2 dt/d, C/s 1200 AB- perytektyki BE- austenitu J - koniec krystalizacji -3 1150-4 1100 0 50 100 150 200 250 300 350 400, s Mikrostruktura: ferryt, perlit, wtrącenia niemetalowe 40 m Microstructure: ferrite, pearlite, non-metallic inclusions Rys. 6. Krzywe ATD (a) i mikrostruktura ( staliwa gatunku GC40 Fig. 6. TDA curves (a) and the microstructure ( of GC40 cast steel

o o 1500 S.Pietrowski, G.Gumienny, B.Pisarek, R.Władysiak A E J 140 1 1450 0 1400-1 t, C 1350 1300 t=f( ) dt/d =f '( ) -2 dt/d, C/s Oznaczenie efektów cieplnych krystalizacji: 1250 A- ferrytu E - austenitu J - koniec krystalizacji -3 1200-4 1150 0 50 100 150 200 250 300 350 400, s Mikrostruktura: martenzyt, austenit szczątkowy, węgliki (Cr,Fe) 23 C 6, wtrącenia niemetalowe 40 m Microstructure: martensite, retained austenite, carbides (Cr,Fe) 23 C 6, non-metallic inclusions Rys. 7. Krzywe ATD (a) i mikrostruktura ( staliwa gatunku GX20Cr56 Fig. 7. TDA curves (a) and the microstructure ( of GX20Cr56 cast steel

o o 141 1500 Kontrola wysokojakościowych stopów odlewniczych metodą ATD A E J 1 1450 0 1400-1 1350 t, C 1300 dt/d =f '( ) -2 dt/d, C/s Oznaczenie efektów cieplnych krystalizacji: 1250 A- ferrytu E - austenitu J - koniec krystalizacji -3 1200 t=f( ) -4 1150 0 50 100 150 200 250 300 350 400, s Mikrostruktura: austenit, węgliki (Cr,Fe) 23 C 6, wtrącenia niemetalowe 40 m Microstructure: austenite, carbides (Cr,Fe) 23 C 6, non-metallic inclusions Rys. 8. Krzywe ATD (a) i mikrostruktura ( staliwa gatunku GXCrNi72-36 Fig. 8. TDA curves (a) and the microstructure ( of GXCrNi72-36 cast steel

a) S.Pietrowski, G.Gumienny, B.Pisarek, R.Władysiak 142 Rys. 9. Wydruk na monitorze parametrów punktów charakterystycznych i obliczonych przez algorytm własności określających poprawność przygotowania ciekłego stopu: a) żeliwa siluminu Fig. 9. Computer screen display of characteristic points parameters and properties computed by algorithm, that determine correctness preparation of liquid alloy: a) cast iron, silumin

143 Kontrola wysokojakościowych stopów odlewniczych metodą ATD Proces kontroli produkcji stopów odbywa się następująco. Po przygotowaniu ciekłego stopu w piecu i przeprowadzeniu zabiegów metalurgicznych (np.: sferoidyzacji, modyfikacji, rafinacji) zalewa się nim odpowiedni próbnik ATD. Podczas pomiaru temperatury stopu w próbniku, na monitorze kreślone są krzywe ATD. Po zakończonym procesie krystalizacji przerywa się pomiar. Na ekranie monitora pokazują się wtedy wyznaczone charakterystyczne temperatury np.: likwidus, solidus, końca krystalizacji; dla żeliwa: stopień nasycenia eutektycznego Sc, 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: Rm, 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 rysunku 9(a, przedstawiono przykładowo wydruk na monitorze charakterystycznych wielkości dla siluminów (a) oraz żeliwa Ni-resist (. Przedstawiony proces kontroli produkcji stopów odlewniczych wpisuje się bardzo dobrze w mechanizację i automatyzację procesu produkcyjnego w odlewni. 3. WNIOSKI Z przedstawionych w pracy danych wynikają następujące wnioski: metoda ATD jednoznacznie określa krystalizację stopów, stanowi ona podstawową bazę danych niezbędnych do budowy programów komputerowych kontroli produkcji stopów, zapewnia krótki czas kontroli stopu (około 6 min) co umożliwia jego korektę przed zalaniem form. LITERATURA [1] 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. [2] 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. [3] 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. [4] 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. [5]. Pietrowski S., Pisarek B., Władysiak R., Żeliwo stopowe z grafitem wermikularnym. Krzepnięcie Metali i Stopów, PAN, 1998, vol. 37, s. 105.

144 S.Pietrowski, G.Gumienny, B.Pisarek, R.Władysiak [6] Pietrowski S., Gumienny G., The Control of Ductile Iron Production. Inżynieria Materiałowa AMT 2004, vol. 3, s. 422. [7] Pietrowski S., Gumienny G., Ocena staliwa niestopowego metodą ATD. Archiwum Odlewnictwa, PAN, 2004, vol. 12, s. 323. [8] Pietrowski S., Gumienny G., Ocena staliwa GX20Cr56 metodą ATD. Archiwum Odlewnictwa, PAN, 2004, vol. 12, s. 315. [9] 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. [10] Pietrowski S., Władysiak R., Pisarek B., Wdrożenie w "Federal Mogul Gorzyce" S.A. systemu kontroli i sterowania jakością siluminów na felgi samochodowe. Projekt Celowy nr 10T08 080 2001C/5426, 2001-2002. [11] 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. [12] Pietrowski S., Pisarek B., Władysiak R., Wdrożenie w przedsiębiorstwie METALEXPORT - ODLEWNIA KOLUSZKI technologii wytapiania surówki niskomanganowej, żeliwa sferoidalnego, wermikularnego i szarego o różnej mikrostrukturze i ich kontroli metodą ATD. Projekt Celowy nr 7T08B 227 2000C/4877, 2000-2002. [13] Pietrowski S., Pisarek B., Władysiak R., Gumienny G. Wdrożenie systemu kontroli i sterowania jakością staliwa gatunku: L20; 270-480W; LH14; LH18N9. Projekt Celowy nr ROW-192-2003, 2003-2004. Praca wpłynęła do Redakcji.07.2004 Recenzent: prof. dr hab. inż. Roman Wrona PRODUCTION CONTROL OF ADVANCED CASTING ALLOYS WITH TDA METHOD S u m m a r y This paper presents potential of use of TDA method to create computer systems of production control of advanced casting alloys of aluminium and cast iron. Key words: silumins, cast iron, cast steel, control, TDA method