Transcript Referat 3 - Instytut Odlewnictwa

Żeliwo z grafitem wermikularnym – materiał
konstrukcyjny na elementy pracujące w
warunkach zmęczenia cieplnego
Andrzej Pytel
ul. Zakopiańska 73
30-418 Kraków
tel. +48 12 26 18 111
fax +48 12 26 60 870
[email protected]
WPROWADZENIE
Materiałem konstrukcyjnym, znajdującym obecnie szerokie
zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu i najczęściej używanym
spośród stopów jest żeliwo, którego popularność wytwórcza trwa
niezmiennie od wielu lat. Wraz z rozwojem techniki następowało
zwiększanie zapotrzebowania na żeliwo o coraz wyższych
własnościach. Powstało szereg odmian żeliwa na przykład żeliwo
stopowe, żeliwo ciągliwe, żeliwo sferoidalne, żeliwo hartowane z
przemianą izotermiczną (ADI) a także żeliwo z grafitem
wermikularnym .
Żeliwo z grafitem wermikularnym odgrywa w
tym zestawie specyficzną rolę, gdyż ma szereg niezaprzeczalnych
zalet w porównaniu z żeliwem szarym i sferoidalnym, a własności
jego są sytuowane między wysokojakościowym żeliwem szarym
modyfikowanym i żeliwem sferoidalnym.
2
www.iod.krakow.pl
Z historycznego punktu widzenia żeliwo z grafitem
zwartym lub inaczej wermikularnym znane jest od
roku 1948 w którym po raz pierwszy zostało
wytworzone.
Stosowanie żeliwa na większą skalę ze względu na wąski zakres ustabilizowanej
produkcji odlewniczej nie było możliwe ze względu na skomplikowane części,
takie jak bloki i głowice cylindrów do momentu kiedy dostępne stały się
zaawansowane technologie kontroli procesu oraz wynalezienie nowoczesnych
elektronicznych systemów pomiarowych i systemów komputerowych.
ul. Zakopiańska 73
30-418 Kraków
tel. +48 12 26 18 111
fax +48 12 26 60 870
[email protected]
www.iod.krakow.pl
W roku 2006 opublikowano nową normę ISO 16112 dla żeliwa
z grafitem wermikularnym w której zastosowano połączone
nazewnictwo: „Żeliwo z grafitem zwartym (wermikularnym).”
Wyróżniono pięć odmian tego żeliwa w oparciu o minimalną
wartość wytrzymałości na rozciąganie próbek wykonanych z
wlewków osobno odlewanych. Norma rozróżnia następujące
gatunki żeliwa: ISO 16112/JV/300 (ferrytyczne); ISO
16112/JV/350, ISO 16112/JV/400, ISO 16112/JV/450
(perlityczne); ISO 16112/JV/500
(stopowe).
Żeliwo to jest wykorzystywane w coraz większym stopniu jako
materiał konstrukcyjny wielu różnych elementów, szczególnie
w przemyśle budowy samochodów, traktorów, maszyn
rolniczych, pociągów, przemyśle hutniczym, szklarskim itp.
4
www.iod.krakow.pl
OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA ŻELIWA Z GRAFITEM
WERMIKULARNYM JAKO MATERIAŁU
KONSTRUKCYJNEGO ODPORNEGO NA ZMĘCZENIE
CIEPLNE
Żeliwo z grafitem wermikularnym w porównaniu do
wysokojakościowego żeliwa z grafitem płatkowym ma między
innymi:
•wyższą wytrzymałość na rozciąganie,
•lepszą plastyczność i wyższą odporność na obciążenia
dynamiczne,
•mniejszą wrażliwość na grubość ścianki ( zachowanie
odpowiednich własności wytrzymałościowych w grubościennych
odlewach),
•mniejszą skłonność do utleniania i pęcznienia w podwyższonej
temperaturze,
•wyższą odporność na zmęczenie cieplne.
5
www.iod.krakow.pl
W stosunku do ferrytycznego żeliwa z grafitem
sferoidalnym, żeliwo z grafitem wermikularnym ma
następujące zalety:
•niższy moduł sprężystości,
•niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej,
•wyższe przewodnictwo cieplne,
•wyższą odporność na zmęczenie cieplne podczas bardzo szybkich
zmianach cykli temperatury (nagrzewanie - chłodzenie),
•większą zdolność do tłumienia drgań,
•lepszą skrawalność,
•lepszą lejność i mniejszą skłonność do tworzenia jam skurczowych,
•mniejszą skłonność odlewów do odkształceń w podwyższonej
temperaturze i lepszą stabilność wymiarową,
•mniejszą skłonność do zabieleń;
•mniejsze zanieczyszczenie środowiska podczas produkcji.
6
www.iod.krakow.pl
Żeliwo z grafitem wermikularnym znajduje
zastosowanie głównie na odlewy od których
wymaga się wyższych własności niż może
zapewnić żeliwo szare w tym również stopowe.
Wyższa wytrzymałość żeliwa wermikularnego
umożliwia zmniejszenie grubości ścianek odlewów
a tym samym masy odlewów. Główną zaletą tego
tworzywa jest jednak wysoka odporność na nagłe
zmiany temperatury jak również szczelność.
7
www.iod.krakow.pl
Żeliwo z grafitem wermikularnym jest jednym z rodzajów tworzyw
odlewniczych charakteryzującym się odpowiednim kształtem
wydzieleń grafitu. Wydzielenia grafitu przyjmują formę pośrednią
pomiędzy kulkową i płatkową. W technicznej literaturze angielskiej
stosuje się określenia: „ vermicular graphite cast iron” ( żeliwo z
grafitem robaczkowym) lub „compacted graphite cast iron” (żeliwo z
grafitem zwartym), w niemieckiej „Gusseisen mit Vermiculargraphit”.
W skrócie określa się go w literaturze angielskiej CGI, a niemieckiej
GGV. System oznaczania żeliwa uwzględnia Polska norma PNEN1560:2001, natomiast określenie cech wydzieleń grafitu w tym
wzorce kształtu grafitu norma PN-EN ISO 945:1999 (wzorzec kształtu
wydzieleń grafitu rys.1 w normie typ III). Są też instrukcje wydane w
poszczególnych krajach, które dokładniej definiują i precyzują żeliwo
z grafitem wermikularnym np. w Niemczech VDG-Merkblatt W50. W
USA znana jest specyfikacja ASTM A842-85.
8
www.iod.krakow.pl
Podstawowy skład chemiczny żeliwa wermikularnego
mieści się przeważnie w następujących granicach:
C=3,2-3,8%; Si=2,0-3,2%; Mn=0,1-0,7%; P do 0,06%; S do
0,02%. W zależności od sposobu wytwarzania, żeliwo zawiera
odpowiednie ilości takich pierwiastków jak: Mg, Ce, Ca, Al., Ti, Y,
La. W celu uzyskania odpowiednich własności użytkowch stosuje
się pierwiastki stopowe jak np.: Cu, Sn, Mo, V, Cr, Sn itp.
Struktura osnowy metalowej może być różna, np. ferrytyczna,
ferrytyczno – perlityczna, perlityczna, ale także ausferrytyczna
( żeliwo ADI z grafitem wermikularnym).
9
www.iod.krakow.pl
Rys.1. Żeliwo z grafitem płatkowym
Rys.2. Żeliwo z grafitem kulkowym
10
www.iod.krakow.pl
Rys.3. Żeliwo z grafitem wermikularnym
Rys.4. Grafit wermikularny (zdjęcie skaningowe pow. 8000x)
11
www.iod.krakow.pl
Własności mechaniczne, fizyczne i technologiczne
żeliwa z grafitem wermikularnym (gdy wynikają
one z kształtu grafitu) leżą pomiędzy tymi, które
charakteryzują żeliwo z grafitem kulkowym i
płatkowym. Ważniejsze wskaźniki mechaniczne,
fizyczne i odlewnicze żeliwa z różnymi rodzajami
grafitu i osnowy metalowej zebrano w tablicy 1.
12
www.iod.krakow.pl
Wybrane wskaźniki
Wytrzymałość na rozciąganie,
Jednostka
Żeliwo szare
Żeliwo wermikularne
Żeliwo wermikularne
Żeliwo
ferrytyczne
perlityczne
sferoidalne
MPa
100 - 400
min. 300
400 - 500
350 - 900
MPa
-
min. 240
340 - 440
250 -600
Wydłużenie, A5
%
max 1,5
min. 2
1
3 - 30
Wytrzymałość na zginanie
MPa
300 - 600
600
700
800 - 1200
Wytrzymałość na ściskanie
MPa
500 - 1400
min. 500
min. 600
600 - 1200
Twardość
HB
140 - 300
130 - 190
200 - 280
120 - 350
Udarność (próbka bez karbu)
J
6 - 19
max 10
-
9 - 196
Udarność ( próbka z karbem)
J
-
max 7
-
max 21
Moduł sprężystości, E0
GPa
75 - 155
130 - 160
130 - 170
165 - 185
Gęstość
Mg/m3
7,0 - 7,5
7,0
7,1
7,1 - 7,3
Przewodność cieplna, λ
W/m·K
46 - 59
38 - 46
34
25 - 38
K-1x106
11 - 12
11
13
11,3 - 13
Oporność elektryczna (20oC)
μΩ·m
0,5 - 1,0
0,7
0,8
0,5 - 0,7
Skurcz liniowy
%
1,0 - 1,2
0,9 - 1,1
0,9 - 1,1
0,7 - 1,1
Skurcz objętościowy
%
1-5
7 - 10
13
Rm
Umowna granica sprężystości,
Rp0,2
( 20÷200o)
Wsp. liniowej rozszerzalności
cieplnej, α( 20÷200o)
Innowacje w odlewnictwie
1,0 - 3,0
1,0 - 5,0
ciśnieniowym,
Niepołomice
1618.05.2012
www.iod.krakow.pl
PRZYKŁADY ZASTOSOWANIA ŻELIWA Z GRAFITEM
WERMIKULARNYM W PRZEMYŚLE
Główne kierunki stosowania żeliwa:
a) zastępowanie żeliwa szarego i obniżenie masy odlewów przez zmniejszenie
grubości ich ścianek,
b) zastępowanie żeliwa szarego stopowego żeliwem wermikularnym,
c) wielkoseryjna produkcja różnego rodzaju odlewów cienkościennych o
własnościach odpowiadających żeliwu sferoidalnemu średnich klas,
d) odlewy przeznaczone do eksploatacji w warunkach cyklicznych zmian
temperatury i poddawanych działaniu naprężeń mechanicznych.
14
www.iod.krakow.pl
Żeliwo z grafitem wermikularnym - przykłady
zastosowania
odlewy dla przemysłu motoryzacyjnego: głowice, kolektory wydechowe, tarcze
hamulcowe, szczęki hamulców, skrzynie korbowe, łączniki przewodów dla traktorów,
dźwignię hamulca ręcznego,
odlewy dla przemysłu okrętowego: głowice, pokrywy i cylindry
silników Diesla
części armatury ciśnieniowej: zawory, korpusy zaworów, przewody hydrauliki
siłowej, a także urządzenia rozdzielcze o różnej masie dla hydrauliki
wysokociśnieniowej ,
odlewy dla przemysłu maszynowego: obudowy łożysk, koła zamachowe, obudowy
przekładni, koła łańcuchowe,
odlewy dla przemysłu hutniczego: płyty, wlewnice
Przykłady zastosowania żeliwa wermikularnego na odlewy pracujące w warunkach zmęczenia cieplnego zamieszczono na rysunkach 5-x.
15
www.iod.krakow.pl
Rys. 5. Kadłub silnika Diesla dla samochodu
Audi (silnik 3,3 litra V8) [22]
Rys. 6. Kadłub silnika Diesla dla samochodu
BMW (silnik 3,9 litra V8) [22]
Rys. 7. Łoże wału dla dużych silników Diesla;
masa 8t [27]
Rys. 8. Głowica cylindra dla szybkobieżnych silników Diesla
stosowanych w aparatach prądotwórczych; grubość ścianek 8-50
mm; masa 100kg [22]
16
www.iod.krakow.pl
Rys.9. Obudowa skrzyni biegów samochodów osobowych
[27]
Rys.10. Obudowa tylnej osi samochodów osobowych (widok i
przekrój) [27]
17
www.iod.krakow.pl
Rys. 11. Wspornik do mocowania belki maszyny żniwnej do ciągnika;
masa 11,5 kg [5]
Rys. 12. Rura wylotowa do silników Diesla dla pojazdów szynowych;
grubość ścianek 8-40 mm; masa 26 kg [5]
Rys. 13. Kadź żużlowa; masa 18t [27]
Rys.14. Wlewnica stalownicza; masa 23t [28]
18
www.iod.krakow.pl
Rys. 15. Tuleja cylindrowa [23]
Rys.16. Tarcza hamulcowa dla szybkobieżnych pociągów [23]
19
www.iod.krakow.pl
Nowoczesne bloki i cylindry.
Wymagania odnośnie silnikow:
• oszczędności paliwa w pojazdach,
• zwiększenie osiągów silnika,
•zmniejszenia poziomu szkodliwych emisji,
Wyzwanie dla konstruktorów i wybieranych przez nich materiałów:
• wymaga się zaprojektowania najnowocześniejszych, wysokosprawnych silników
Diesla, które mogłyby transportować większe masy ładunków przy optymalnym
zużyciu paliw,
• osiągnięcie wyższych osiągów pracy silnika,
•zwiększenie najwyższego ciśnienia spalania (Pmax)) w komorze spalania (wzrost
od 180 do 220 barów),
• wyższe obciążenia termiczne i mechaniczne
20
www.iod.krakow.pl
Wzrost obciążenia termicznego i mechanicznego silników:
Wymagania:
•przejścia ze standardowego żeliwa szarego na żeliwo z grafitem wermikularnym, głównie dla
uzyskania przedłużonej żywotności silnika bez zwiększenia jego gabarytów lub ciężaru,
•żeliwo wermikularne może sprostać wymaganiom większej trwałości i zapewnić stabilność
wymiarową konieczną dla spełnienia warunku obniżeniu emisji spalin w czasie pracy silnika
• materiał o większej wytrzymałości, czyli żeliwo z grafitem wermikularnym[12].
•zastosowania na szerszą skalę tego gatunku żeliwa na skomplikowane części, takie jak bloki i
głowice cylindrów od chwili, kiedy dostępne stały się zaawansowane technologie kontroli
procesu, w tym nowoczesnych elektronicznych systemów pomiarowych i procesorów
komputerowych,
Po opracowaniu techniki odlewniczej i stosownych rozwiązań produkcyjnych,
pierwotnie zapoczątkowanych w Europie w latach 90-tych, w roku 1999 rozpoczęto
pierwszą seryjną produkcję bloków cylindrów z żeliwa wermikularnego. Obecnie
wiele bloków cylindrów z tego gatunku żeliwa jest wytwarzane co miesiąc dla
producentów Audi, DAF’a, Forda, Hyundai’a, MAN’a, Mercedes’a, PSA,
Volkswagen’a i Volvo.
21
www.iod.krakow.pl
Mikrostruktura i wytrzymałość żeliwa
Wzrost udziału cząsteczek grafitu wermikularnego
•wzrasta wytrzymałość i sztywność żeliwa,
•obniża się lejność, obrabialnośc i przewodność cieplna
Rodzaj mikrostruktury należy wybierać :
•z uwzględnieniem zarówno wymagań produkcyjnych,
• warunków pracy danego elementu.
Cząsteczki grafitu wermikularnego :
układzie dwuwymiarowym:cząsteczki mają wygląd „robaczków”,
oglądane pod skaningowym mikroskopem elektronowym poszczególne „robaki” są
połączone z najbliższymi sąsiadującymi „robakami” w obrębie danej komórki
eutektycznej. Ta złożona morfologia grafitu, jak również zaokrąglone krawędzie i
nieregularne “wyboiste” powierzchnie cząsteczek grafitu wermikularnego powodują
zwiększają adhezję pomiędzy grafitem i osnową żeliwa, powstrzymując zarodkowanie
pęknięć i zapewniając doskonałe właściwości mechaniczne.
22
www.iod.krakow.pl
Tablica 3
Właściwości mechaniczne i fizyczne w temperaturze 20 C żeliwa wermikularnego w
porównaniu ze standardowym żeliwem szarym i aluminium
Właściwość
Jednostki
A 390.0
300
275
Wytrzymałość na rozciąganie
Moduł elastyczności
GPa
145
105
115
80
%
1-2
0
0
1
MPa
210
110
125
100
Wydłużenie
Wytrzymałość na
temperaturze 20°C
zginanie
obrotowe
w
GJL
250
250
GJL 300
GJV
450
MPa
450
W porównaniu z żeliwem szarym, żeliwo z grafitem wermikularnym daje następujące korzyści:
•Zmniejszenie grubości ścianek przy zachowaniu takich samych obciążeń roboczych
•Zwiększenie obciążeń roboczych przy zachowaniu dotychczasowych parametrów projektowych
•Mniejsze wartości współczynników bezpieczeństwa dzięki mniejszemu zróżnicowaniu właściwości w stanie po odlaniu
•Mniejsze ryzyko występowania zniekształceń na średnicy cylindra
•Większy komfort jazdy (mniejszy hałas i wibracje)
•Krótsza droga wejścia gwintu i dzięki temu krótsze sworznie
23
www.iod.krakow.pl
3.2.Kolektory wydechowe z zeliwa wermikularnego
Kolektory wydechowe były początkowo wykonywane z żeliwa szarego, ale po przebiegu około
15 do 30 000 km w terenie górzystym, zaczynały pękać. Również niektóre obudowy przekładni
pękały. W latach 80-ch rozpoczęto, na niewielką skalę, próby z żeliwem wermikularnym. Próby
wykazały że samochody przebiegały po 200 000 km bez pęknięć na kolektorach; nawet po
usunięciu żeber wzmacniających, które stanowiły 10% masy odlewu. Również, po zastosowaniu
żeliwa wermikularnego całkowicie zlikwidowano pęknięcia obudów przekładni. Od 1984 roku
rozpoczęto produkcję z żeliwa wermikularnego wszystkich kolektorów wydechowych i
niektórych przekładni.
Od 1992 roku odlewnia DFM rozpoczęła produkcję kolektorów wydechowych z żeliwa
wermikularnego do Szanghajskiego samochodu Volkwagen Santana.
Poziom braków na odlewach 4%.
Produkuje się kolektory wydechowe z żeliwa wermikularnego
•do samochodów ciężarowych,
• do samochodów osobowych
• obudów przekładni.
Poziom braków na odlewach wynosił ok. 4%.
24
www.iod.krakow.pl
Kolektory wydechowe
•Pracują w temperaturze ok. 700oC,
• rozszerzalność cieplna podczas przegrzania daje wzrost naprężeń ściskających,
podczas gdy skurcz podczas chłodzenia powoduje naprężenia rozciągające w
kolektorze przymocowanym śrubami do chłodzonego wodą bloku cylindrowego.
• odporność na zmęczenie termiczne żeliwa wermikularnego jest 3 do 4-ch razy
większa od odporności żeliwa szarego, podczas zmian temperatury pomiędzy 250 a
700oC,
•dzięki czemu kolektory z żeliwa wermikularnego nie pękają tak łatwo.
•odporność korozyjna żeliwa wermikularnego w otaczającej i wysokiej temperaturze
są również dużo lepsza niż żeliwa szarego.
• kolektory z ferrytycznego żeliwa sferoidalnego nie pękały lecz posiadały one gorsze
własności odlewnicze i po rozmontowaniu stwierdzono znaczne odkształcenia.
25
www.iod.krakow.pl
Wnioski
•Jeżeli odlewy pracują pod obciążeniem cieplnym lub gdy grubość
ścianki jest mała, a wymagana jest duża wytrzymałość, zmiana
materiału z żeliwa szarego na wermikularne może znacznie wydłużyć
okres trwałości odlewu.
•Dla zapewnienia stałości wyników w produkcji istotne jest
wprowadzenie ścisłej kontroli procesu i wyrobu.
• Przykłady produkcji nowoczesnych odlewów z żeliwa wermikularnego
na świecie i dalszy rozwój badań tego tworzywa były pewnym
wyzwaniem do napisania projektu w którym żeliwo to jest przedmiotem
wszechstronnych rozważań przy wykorzystaniu najnowszej aparatury.
26
www.iod.krakow.pl
Instytut Odlewnictwa
Dziękuję za uwagę
Kopiowanie całości lub części prezentacji wymaga pisemnej zgody Instytutu Odlewnictwa w Krakowie.
27
www.iod.krakow.pl