OCENA JAKOŚCI ŻELIWA SFEROIDALNEGO FERRYTYCZNEGO

9/8 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 003, Rocznik 3, Nr 8 Archives of Foundry Year 003, Volume 3, Book 8 PAN - Katowice PL ISSN 164-5308 OCENA JAKOŚCI ŻELIWA SFEROIDALNEGO FERRYTYCZNEGO S. PIETROWSKI 1, G. GUMIENNY Katedra Systemów Produkcji, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 1/15, 90-94 Łódź STRESZCZENIE W pracy przedstawiono równania regresji do kontroli i sterowania jakością żeliwa sferoidalnego ferrytycznego, zweryfikowane w warunkach praktycznych odlewni GZUT w Gliwicach. Opracowano je z wykorzystaniem charakterystycznych parametrów krzywych ATD. Do obliczeń zastosowano autorski program komputerowy, zawierający odpowiednio uporządkowany zbiór danych oraz program wykonawczy Regresja. Key words: crystallization, thermal derivative analysis, ductile cast iron 1. WPROWADZENIE W pracach [1 6] wykazano możliwość kontroli i sterowania jakością żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem metody analizy termicznej i derywacyjnej (ATD). Jest to obecnie jedyna kompleksowa metoda oceny żeliwa sferoidalnego przed odlaniem go do form. Metodyka badań żeliwa sferoidalnego ferrytycznego do opracowania zależn o- ści statystycznych była identyczna jak przedstawiona w pracy [4]. Poniżej przedstawiono jej uzupełnienie związane z opracowaniem zależności statystycznych.. METODYKA BADAŃ Analizę statystyczną przeprowadzono w specjalnie opracowanym programie Regresja. Realizuje on obliczenia w wyniku krokowej eliminacji wielkości niezależ- 1 prof. dr hab. inż., akgolnik@mail.p.lodz.pl mgr inż. 53

nych o najmniejszej korelacji z wielkością zależną, przy wykorzystaniu testów Fishera Snedecora F oraz testu wiarygodności W. Test Fishera Snedecora F określa zależność: F 1 M 1 N M N (1) gdzie:, M N zmienne losowe niezależne stochastycznie o rozkładach chi kwadrat odpowiednio o M i N stopniach swobody. Test wiarygodności W określony jest zależnością: W z () f gdzie: wariancja zbioru danych, z f wariancja funkcji. Przy obliczeniach program korzystał ze specjalnie uporządkowanego zbioru d a- nych, zawierającego wielkości przedstawione w tabeli 1, i utworzonego w odpowied nio przygotowanym programie Waga. Tabela 1 Wielkości znajdujące się w uporządkowanym zbiorze danych Table 1. Values presented in a systematic set of data Skład chemiczny żeliwa oraz jego eutektyczny C; Si; Mn; P; S; Cr; Cu; Mg; równoważnik węgla Pb; C E t Temperatura punktów charakterystycznych 1 9 *, ta; tb; td; te; tf; tg; th; tk; tm Pierwsza pochodna punktów charakterystycznych KA; KB; KD; KE; KF; KG; po czasie KH; KI; KK; KM Tangens kąta nachylenia krzywej krystalizacji dla ZA; ZB; ZD; ZF; ZG; ZH; ZI; poszczególnych punktów charakterystycznych ZK; ZM Czas wystąpienia punktów charakterystycznych na SA; SB; SD; SE; SF; SG; SH; krzywej krystalizacji SI; SK; SM Liczba wydzieleń grafitu oraz względny i rzeczywisty udział powierzchniowy grafitu w klasach a 08; N a 09; N a 08R; LWG, N N c = 0,8 1,0 i c = 0,9 1,0 a 09R Względny i rzeczywisty udział objętościowy grafitu V w klasach c = 0,8 1,0 i c = 0,9 1,0 v 08; V v 09; V v 08R; V v 09R Zbadane własności mechaniczne żeliwa R m ; R p0, ; A 5 ; HB * najwyższa temperatura zarejestrowana przez termoelement 54

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Z tab. 1 wynika, że zbiór uporządkowanych danych charakteryzujących żeliwo zawiera: skład chemiczny badanego żeliwa oraz jego eutektyczny równoważnik węgla C E, wielkości opisujące charakterystyczne parametry krzywych A TD [temperatura (t, C), pierwsza pochodna punktów charakterystycznych po czasie (K, C/s), tangens kąta nachylenia krzywej krystalizacji dla poszczególnych punktów charakterystycznych (Z, C/s ) oraz czas ich wystąpienia na krzywej krystalizacji (S, s)], wielkości opisujące charakterystyczne cechy grafitu: ilość wydzieleń na jednostkę powierzchni LWG (szt./mm ), względny (N a, %) i rzeczywisty (N a R, szt.) udział powierzchniowy grafitu, względny (V v, %) i rzeczywisty (V v R, szt.) udział objętościowy grafitu, zbadane własności mechaniczne badanego żeliwa sferoidalnego: R m ; R p0, ; A 5 i HB. Z danych tych wybierano wielkości zależne (np. R m ) i niezależne (np. charakterystyczne parametry ATD), wpisywano je odpowiednio w kod programu, a samo obliczenie statystyczne następowało w programie wykonawczym Regresja po kompilacji pliku źródłowego. Przykładową mikrostrukturę grafitu oraz krzywe ATD żeliwa sferoidalnego ferrytycznego gatunku EN-GJS-400-15 z zaznaczonymi charakterystycznymi parametrami przedstawiono na rysunku 1 (a, b). 55

o t, C dt/d, C/s a) b) 1400 1 A B D E F G H I K M tz 100 ZD ZF ZG dt/d = f'( ) 0 KE KG tf tg ta td th -1 o KM KH KI KK ti - tk tm 1000 t = f( ) -3 800-4 0 100 00 300 400, s SD SH Rys. 1. Krzywe ATD żeliwa sferoidalnego ferrytycznego Fig. 1. TDA curves of ductile cast iron 56

ARCHIWUM ODLEWNICTWA 3. ZALEŻNOŚCI STATYSTYCZNE Poszczególne wielkości w zależnościach (1 6) oznaczają: LWG liczba wydzieleń grafitu na 1mm, szt., N a 08 względny udział powierzchniowy grafitu w klasach c = 0,8 1,0, %, N a 09 względny udział powierzchniowy grafitu w klasach c = 0,9 1,0, %, V v 08 względny udział objętościowy grafitu w klasach c = 0,8 1,0, %, V v 09 względny udział objętościowy grafitu w klasach c = 0,9 1,0, %, N a 08 LWG N a 08R rzeczywisty udział powierzchniowy grafitu w klasach 100 c = 0,8 1,0, szt. Na 09 LWG Na 09R rzeczywisty udział powierzchniowy grafitu w klasach 100 c = 0,9 1,0, szt. Vv 08 LWG Vv 08R rzeczywisty udział objętościowy grafitu w klasach 100 c = 0,8 1,0, szt. Vv 09 LWG Vv 09R rzeczywisty udział objętościowy grafitu w klasach 100 c = 0,9 1,0, szt. tz najwyższa temperatura zarejestrowana przez termoelement, C, ta temperatura w punkcie A, C, td temperatura w punkcie D, C, tf temperatura w punkcie F, C, th temperatura w punkcie H, C, tk temperatura w punkcie K, C, th td różnica temperatur między punktami H i D, C, KE pochodna temperatury po czasie w punkcie E, C/s, KG pochodna temperatury po czasie w punkcie G, C/s, KH pochodna temperatury po czasie w punkcie H, C/s, KI pochodna temperatury po czasie w punkcie I, C/s, KK pochodna temperatury po czasie w punkcie K, C/s, KM pochodna temperatury po czasie w punkcie M, C/s, ZD tangens kąta nachylenia krzywej krystalizacji w punkcie D, C/s, ZF tangens kąta nachylenia krzywej krystalizacji w punkcie F, C/s, ZG tangens kąta nachylenia krzywej krystalizacji w punkcie G, C/s, ZH tangens kąta nachylenia krzywej krystalizacji w punkcie H, C/s, ZI tangens kąta nachylenia krzywej krystalizacji w punkcie I, C/s, ZK tangens kąta nachylenia krzywej krystalizacji w punkcie K, C/s, ZM tangens kąta nachylenia krzywej krystalizacji w punkcie M, C/s, SH SD czas między punktami H i D, s. 57

3.1. Równania regresji do kontroli jakości żeliwa sferoidalnego 3.1.1.Wpływ parametrów krzywych ATD na skład chemiczny żeliwa oraz jego eute k- tyczny równoważnik węgla C E Zawartość węgla w żeliwie: 4 C 11,94,7 10 ta 1,14 10 td 9 10 ZD (3) odchylenie standardowe: dc = 1,03%; wartość średnia: Cs = 3,54%; współczynnik korelacji: R = 0,89; test Fishera Snedecora: F = 31,87; test wiarygodności: W = 4,43 Zawartość krzemu w żeliwie: Si 37,07,13 10 3,98 10 tz 1,4 10 ta tf 0,998 KE 0,556 KH (4) dsi = 4,60%; Sis =,45%; R = 0,90; F =,6; W = 4,80 Zawartość manganu w żeliwie: Mn,435 1,784 10 5,44 10 4 ta 3,795 10 ( td th ) 0,0 KE 9 10 td 4 ZD (5) dmn = 9,6%; Mns = 0,113%; R = 0,91; F = 18,76; W = 4,70 Zawartość fosforu w żeliwie: P 8,875 10 1,04 10 4 7,7 10 ZD 1,9 10 5 ta 3,77 10 ZM KK (6) dp = 5,88%; Ps = 0,040%; R = 0,78; F = 7,55; W =,14 58

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Eutektyczny równoważnik węgla żeliwa: C E 0,991 5,63 10 0,148 KE 65,53 10 ta 10,88 10 KH 4,19 10 td 13,47 10 4 ZG tf (7) dc E = 0,4%; C E s = 4,36%; R = 0,97; F = 49,36; W = 1,16 3.1..Wpływ parametrów krzywych ATD na liczbę wydzieleń grafitu LWG oraz jego udział powierzchniowy N a i objętościowy V v w klasach c = 0,8 1,0 i c = 0,9 1,0 Liczba wydzieleń grafitu w żeliwie: LWG 795 3,81 tz 6,4 ta 81 KM 1,8 ZF 1,8 ZI 13,7 ZK (8) dlwg = 8,84%; LWGs = 415szt./mm ; R = 0,94; F = 6,6; W = 7,41 Względny udział powierzchniowy N a grafitu w klasach c = 0,8 1,0: N a 08 19,0 0,13 ta 0,38 th 9,3 KE 0,18 ZD 0,14 ZG (9) dn a 08 = 4,9%; N a 08s = 68,1%; R = 0,88; F = 13,31; W = 3,46 Względny udział powierzchniowy N a grafitu w klasach c = 0,9 1,0: N a 09 76,6 0,14 tz 0, ta 0,7 tf 7,0 KE 0,3 ZD 0,85 ZK 3,7 ZM (10) dn a 09 = 8,44%; N a 09s = 40,1%; R = 0,89; F = 8,50; W = 3,8 Względny udział objętościowy V v grafitu w klasach c = 0,8 1,0: V v 08 67,7 1,0 ta 0,78 tk 0,37 ( th td) (11) dv v 08 = 8,99%; V v 08s = 6,8%; R = 0,91; F = 34,91; W = 5,4 59

Względny udział objętościowy V v grafitu w klasach c = 0,9 1,0: V v 09 1354 1, td 61,6 KE, 040 ZD (1) dv v 09 = 18,99%; V v 09s = 33,1%; R = 0,87; F = 1,55; W = 3,68 3.1.3.Wpływ parametrów krzywych ATD na rzeczywisty udział powierzchniowy N a i objętościowy V v grafitu w klasach c = 0,8 1,0 i c = 0,9 1,0 Rzeczywisty udział powierzchniowy N a grafitu w klasach c = 0,8 1,0: N a 08R 333 1,81 tz 3,45 tf 1,99 tk 0,51 ZD 0,97 ZG (13) dn a 08R = 8,18%; N a 08Rs = 44szt.; R = 0,91; F = 16,14; W = 4,44 Rzeczywisty udział powierzchniowy N a grafitu w klasach c = 0,9 1,0: N a 09R 1896 0,66 tz,51 ta 0,99 ZD 1,71 ZF 0,74 ZG 5,68 ZK (14) dn a 09R = 14,4%; N a 09Rs = 149szt.; R = 0,83; F = 6,8; W =,40 Rzeczywisty udział objętościowy V v grafitu w klasach c = 0,8 1,0: V v 08R 853 1,95 tz 3,37 tf 1,40 ZD 0,61 ZG 07 KK (15) dv v 08R = 19,74%; V v 08Rs = 16szt.; R = 0,91; F = 17,0; W = 4,48 Rzeczywisty udział objętościowy V v grafitu w klasach c = 0,9 1,0: V v 09R 910 0,5 td 1, tf 4,35 ZF 1,5 ZG,0 ZD (16) dv v 09R = 8,86%; V v 09Rs = 41szt.; R = 0,90; F = 1,57; W = 3,89 60

ARCHIWUM ODLEWNICTWA 3.1.4.Wpływ parametrów krzywych ATD na własności mechaniczne R m, R p0,, A 5 i HB żeliwa Wytrzymałość na rozciąganie: R m 1789 0,41 ta 0,83 th 63,6 KE 1, 4 ZI (17) dr m = 1,3%; R m s = 49, MPa; R = 0,88; F = 13,6; W = 3,9 Umowna granica plastyczności: R p 0, 1011 0,19 ta 3,36 td 3,89 tf 46,9 KE 58,7 KH 5,0 KK 0,53 ZF 1,9 ZH 0,51 ( SH SD) (18) dr p0, = 1,50%; R p0, s = 63,7 MPa; R = 0,89; F = 5,45; W =,8 Wydłużenie: A 173,6 0,04 ta 0,13 tk 0,07 ( th td) 13, KH 5 8,1 KK 7,3 KM 0,14 ZH 0,78 ZI (19) da 5 =,58%; A 5 s = 17, %; R = 0,91; F = 8,31; W = 3,66 Twardość: HB 766,9 0,18 ta 0,81 th 1, tk 61,0 KH 108 KK 0,7 ZH 5,73 ZI (0) dhb = 1,1%; HBs = 159,6; R = 0,94; F = 16,8; W = 6,0 3.. Równania regresji do sterowania jakością żeliwa sferoidalnego 3..1.Wpływ składu chemicznego na względny udział powierzchniowy N a i objętościowy V v grafitu w klasach c = 08 1,0 oraz c = 0,9 1,0 Względny udział powierzchniowy N a grafitu w klasach c = 0,8 1,0: N a 08 8,6 719 P 508 Cr (1) dn a 08 = 4,45%; N a 08s = 68,7%; R = 0,87; F = 34,43; W = 3,79 61

Względny udział powierzchniowy N a grafitu w klasach c = 0,9 1,0: N a 09 16, 5,0 C 1609 S () dn a 09 = 11,03%; N a 09s = 40,7%; R = 0,77; F = 16,3; W =,7 Względny udział objętościowy V v grafitu w klasach c = 0,8 1,0: V v 08 7,6 30 Mn 818 P 1458 S 1768 Cr (3) dv v 08 = 7,79%; V v 08s = 63,3%; R = 0,90; F = 0,01; W = 4,46 Względny udział objętościowy V v grafitu w klasach c = 0,9 1,0: V v 09 5,1 4,8 Si 1668 P (4) dv v 09 = 1,5%; V v 09s = 30,1%; R = 0,83; F =,75; W =,98 3...Wpływ składu chemicznego oraz grafitu na własności mechaniczne R m, R p0,, A 5 i HB żeliwa Wytrzymałość na rozciąganie: R m 47 336 Mg 0,85 V 08 1,36 N 08 0, 0 LWG (5) v a dr m = 0,90%; R m s = 47,5MPa; R = 0,91; F =,17; W = 4,68 Doraźna granica plastyczności: R p0, 374 7,5 C 107,3 Mn 784 S 74 Mg 0,38 V 09 0,0 LWG v (6) dr p0, = 1,48%; R p0, s = 6,8MPa; R = 0,84; F = 8,56; W =,68 Wydłużenie: A 19,9 1,67 Si 35,8 Cr 0,0 V 09 (7) 5 v da 5 =,97%; A 5 s = 17,3%; R = 0,81; F = 1,1; W =,51 6

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Twardość: HB 134,3 18,9 C 1956 S 175,9 Cu 316, Mg 0,03 LWG (8) dhb =,43%; HBs = 157,8; R = 0,83; F = 8,35; W =,53 Przedstawione równania statystyczne (3 0) do kontroli jakości żeliwa sferoidalnego charakteryzują się dużą wartością współczynnika korelacji R wynoszącym 0,78 0,97 oraz testu wiarygodności W =,14 1,16 (dopuszczalna minimalna wartość W wynosi ). Równania (1 8) umożliwiające sterowanie jakością żeliwa sferoidalnego charakteryzują się również dużą wartością współczynnika R wynoszącą 0,77 0,94 oraz testu W =,7 4,68. Opracowane równania eksperymentalne do określenia składu chemicznego, eutektycznego równoważnika węgla (C E ) udziału powierzchniowego N a, objętościowego V v grafitu kulkowego, liczby wydzieleń grafitu (LWG) oraz własności mechanicznych: R m, R p0,, A 5 i HB żeliwa sferoidalnego gatunku EN-GJS-400-15 sprawdzono w Odlewni GZUT oraz w Odlewni Żeliwa Koluszki. W tabelach 3.1 3.6 przedstawiono porównanie wyników pomierzonych w Odlewni GZUT oraz obliczonych wg otrzymanych równań. Tabela. Porównanie wielkości pomierzonych i obliczonych wg równań (3 7) dla wybranych próbek Table. The comparison of values measured and calculated according to (3 7) equations for selected samples Skład chemiczny żeliwa oraz jego eutektyczny równoważnik Wielkości węgla, % Wartości pomierzone Wartości obliczone C 3,61 3,67 Si,9,3 Mn 0,151 0,155 P 0,039 0,038 C E 4,4 4,44 63

Tabela 3. Porównanie wielkości pomierzonych i obliczonych wg równań (8 1) dla wybranych próbek Table 3. The comparison of values measured and calculated according to (8 1) equations for selected samples Liczba wydzieleń grafitu, szt./mm oraz względny Wielkości udział powierzchniowy N a i objętościowy V v grafitu w klasach c = 0,8 1,0 i c = 0,9 1,0, % Wartości pomierzone Wartości obliczone LWG 443 463 N a 08 53 56 N a 09 36 39 V v 08 46 43 V v 09 7 5 Tabela 4. Porównanie wielkości zmierzonych i obliczonych wg równań (13 16) dla wybranych próbek Table 4. The comparison of values measured and calculated according to (13 16) equations for selected samples Rzeczywisty udział powierzchniowy N a i objętościowy V v Wielkości grafitu w klasach c = 0,8 1,0 i c = 0,9 1,0, szt. Wartości pomierzone Wartości obliczone N a 08R 193 197 N a 09R 155 16 V v 08R 5 33 V v 09R 108 119 Tabela 5. Porównanie wielkości zmierzonych i obliczonych wg równań (17 0) dla wybranych próbek Table 5. The comparison of values measured and calculated according to (17 0) equations for selected samples Wielkości Własności mechaniczne żeliwa Wartości pomierzone Wartości obliczone R m, MPa 48 49 R p0,, MPa 67 68 A 5, % 17 17 HB 156 157 64

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Tabela 6. Porównanie wielkości pomierzonych i obliczonych wg równań (1 4) dla wybranych próbek Table 6. The comparison of values measured and calculated according to (1 4) equations for selected samples Względny udział powierzchniowy N a i objętościowy V v Wielkości grafitu w klasach c = 0,8 1,0 i c = 0,9 1,0, % Wartości pomierzone Wartości obliczone N a 08 65 67 N a 09 40 43 V v 08 64 69 V v 09 8 31 Tabela 7. Porównanie wielkości zmierzonych i obliczonych wg równań (5 8) dla wybranych próbek Table 7. The comparison of values measured and calculated according to (5 8) equations for selected samples Wielkości Własności mechaniczne żeliwa Wartości pomierzone Wartości obliczone R m, MPa 415 411 R p0,, MPa 55 54 A 5, % 17 17 HB 156 158 Przedstawione w tab. ( 7) wyniki wykazały pełną przydatność opracowanych zależności eksperymentalnych w warunkach produkcyjnych odlewni. 4. WNIOSKI Z przedstawionych w pracy wyników badań żeliwa sferoidalnego ferrytycznego gatunku EN-GJS-400-15 wynikają następujące wnioski: pomiędzy charakterystycznymi parametrami krzywych ATD, a składem chemicznym żeliwa, jego eutektycznym równoważnikiem węgla C E, udziałem powierzchniowym N a i objętościowym V v grafitu kulkowego w osnowie ferrytycznej oraz własnościami mechanicznymi R m, R p0,, A 5 i HB występują zależności statystyczne, zależności te umożliwiają kontrolę jakości żeliwa sferoidalnego ferrytyczn e- go z zastosowaniem metody analizy termicznej i derywacyjnej (ATD), sterowanie jakością żeliwa sferoidalnego zapewniają opracowane zależności statystyczne pomiędzy składem chemicznym żeliwa, udziałem powierzchniowym N a i objętościowym V v grafitu kulkowego, a własnościami mechanicznymi żeliwa R m, R p0,, A 5 i HB, weryfikacja opracowanych związków eksperymentalnych w warunkach odlewni wykazała ich pełną przydatność do kontroli i sterowania jakością żeliwa sferoidalnego ferrytycznego. 65

LITERATURA [1] Jura S. i in., Zastosowanie metody ATD do oceny jakości żeliwa sferoidalnego, Archiwum Odlewnictwa, nr 1 (1/), 001, s. 93. [] Jura S. Jura Z., Wpływ funkcyjnych parametrów stereologicznych grafitu na właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego, Archiwum Odlewnictwa, nr 1 (/), 001, s. 175. [3] Jura S., Jura Z., Wpływ składu chemicznego i stopnia sferoidyzacji grafitu na własności mechaniczne żeliwa, Archiwum Odlewnictwa, nr 1 (/), 001, s. 167. [4] Pietrowski S., Gumienny G., Metodyka przygotowania oceny jakości żeliwa sferoidalnego z zastosowaniem metody ATD, Archiwum Odlewnictwa, vol., nr 6, 00, s. 49. [5] Pietrowski S., Gumienny G., Ocena jakości żeliwa sferoidalnego EN-GJS-400-15 metodą ATD, Archiwum Odlewnictwa, vol., nr 6, 00, s. 56. [6] Pietrowski S., Gumienny G., Ocena jakości żeliwa sferoidalnego metodą ATD, Materiały Konferencyjne VIII Międzynarodowej Konferencji WSPÓŁPRACA 003 Kraków Szyce, 8 30. 04. 003r. SUMMARY QUALITY ASSESMENT OF DUCTILE CAST IRON The paper presents regression equations for quality assurance of ductile cast iron, which were verified under the practical conditions of GZUT foundry in Gliwice. They were prepared with the use of parameters characteristic of TDA curves. A selfwritten computer program containing a systematic data set and Regresja executive program were used. Recenzował prof. dr inż. J. Gawroński Pracę wykonano w ramach realizacji grantu KBN nr 4T08B 013 46. 66