MISKOLCI EGYETEM MŰSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KAR KERPELY ANTAL NYAGTUDOMÁNYOK ÉS TECHNOLÓGIÁK DOKTORI ISKOLA

Átírás

1 MISKOLCI EGYETEM MŰSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KAR KERPELY ANTAL NYAGTUDOMÁNYOK ÉS TECHNOLÓGIÁK DOKTORI ISKOLA A MOLIBDÉN ÖTVÖZÉS HATÁSA AZ ÖNTÖTTVASAK TERMOMECHANIKUS HŐFÁRASZTÁSI TULAJDONSÁGAIRA Ph. D. értékezés tézisei DIACONU V. VASILE - LUCIAN Okleveles kohómérnök Tudományos vezetők: Dr. Dúl Jenő, egyetemi docens Miskolci Egyetem, Metallurgiai és Öntészeti Intézet, Öntészeti Intézeti Tanszék Dr. Diószegi Attila, Kutatóprofesszor Jönköpingi Egyetem, Gépészeti, Öntéstechnológiai és Öntvényanyagok Tanszék Miskolc 2012.

2

3 1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK A gépjármű motoroknak a korábban gyártottakhoz képest nagyobb hőmérsékleten és nagyobb nyomáson kell működniük ahhoz, hogy megfeleljenek az új teljesítmény-követelményeknek és a szigorúbb gépjármű kipufogógáz kibocsájtás előírásoknak. Ezen követelményeknek megfelelés érdekében motor gyártók egyre több korábban lemezgrafitos öntöttvasból gyártott átmeneti grafitos öntöttvasból készítenek (pl. motorblokk) és a hőigénybevételnek kitett öntvényeknek nagyobb termikus kifárasztási ellenállása kell legyen. Ez különösen igaz a dizelmotor hengerfejek esetén, amelyek a leginkább hajlamosak a hőfárasztási károkra és kúszási jelenségre az égéstérhez közelségük miatt. A vizsgálat célja a molibdén hatásának vizsgálata az átmeneti grafitos öntöttvas hőfárasztási tulajdonságaira és összehasonlítása a lemezgrafitos öntöttvassal. A kutatómunka keretében négy különböző molibdén tartalmú átmeneti grafitos, és egy, a GJL 300 minőségű öntöttvasból készült próbatestek tulajdonságait vizsgáltam. Különböző átmérőjű rudakat öntöttem, melyekből kimunkált próbatesteken hőfárasztási vizsgálatokat végeztem, hogy kimutatható legyen az eltérő dermedési és hűlési viszonyok hatása is. A hőfárasztási vizsgálatok során megfigyeltem a termikus ciklus felmelegítési ideje alatt a nyomófeszültség érték folyamatos csökkenését, miközben a húzófeszültség értéke folyamatosan növekedett. Ez a változás arra utal, hogy hőfárasztási ciklusok alatt feszültség relaxáció alakul ki, ezért erre irányuló további új vizsgálatokat végeztem. A vizsgálatokat a Jönköpingi Egyetem projektje keretén belül végeztem, melyben a Swerea SWECAST Kutatóintézet és több autóipari svéd öntöde is közreműködött. A méréseket Södertäljében a SCANIA CV AB, Anyagok Technológia, UTMT részlegnél végeztem. 2. KÍSÉRLETI KÖRÜLMÉNYEK A vizsgálatok során négy különböző molibdén-tartalmú átmeneti grafitos öntöttvasat, és egy lemezgrafitos öntöttvasat vizsgáltam. Az átmeneti (vermikuláris) grafitos öntöttvas molibdén tartalma 0,0 és 1,01 % között változott. Az átmeneti- és lemezgrafitos öntöttvas kémiai összetétele az 1. táblázatban látható. 1

4 Vizsgált ötvözet jele C Si Mn 1. Táblázat. A vizsgált próbatestek kémiai összetétele P max Kémiai összetétel, % S max Cr max Mo Ni max 1V 3,58 2,30 0,56 0,006 0,008 0,05 0,00 0,03 0,57 0,156 0,011 4,35 2V 3,55 2,21 0,59 0,012 0,009 0,04 0,23 0,03 0,59 0,146 0,011 4,29 3V 3,50 2,18 0,56 0,016 0,012 0,05 0,46 0,03 0,58 0,140 0,011 4,23 4V 3,70 2,20 0,58 0,032 0,009 0,04 1,01 0,03 0,60 0,146 0,011 4,44 1L 3,10 1,75 0,80 0,05 0,08 0,00 0,70 3,70 CE (karbon egyenérték) = C + (Si+P)/3 Cu Sn Mg ca CE A vizsgálatokhoz az 1. ábrán látható öntvényt öntöttem. A formát furángyantás homokkeverékből készítettem. A 2. ábrán látható próbatesteket a különböző átmérőjű hengerekből munkálták ki. A hengerek jelölése és az osztósíkhoz tartozó méretei: K = 20 mm; S = 55 mm; I = 85 mm. Az öntvény sematikus ábrája. Az öntött darab. 1. ábra. A vizsgálatok elvégzéséhez öntött próbatestek. A hőfárasztó vizsgálathoz használt próbatest hossza 120 mm (2. ábra), ezért az öntött darabok hossza 170 mm volt, hogy meg lehessen akadályozni a lehetséges zsugorodási vagy más típusú hibákat, amelyek csökkenthetik az öntvény hibamentes részének a hosszúságát. 2. ábra. A vizsgálatok során használt próbatest rajza 2

5 A 2. táblázatban és a 3. ábrán láthatók a vizsgált anyagok mechanikai tulajdonságai szobahőmérsékleten mérve. 2. Táblázat. A vizsgált átmeneti grafitos öntöttvas próbák mechanikai tulajdonságai szobahőmérsékleten (átlagértékek). Ötvözet jele Öntvény méret (mm) Szakítószilárdság (Rm, MPa) Nyúlás (A 5, %) Rugalmassági határ (Rp 0.2%, MPa) Rugalmassági modulus (E 0, GPa) Brinell keménység (BHN) 1V 2V 3V 4V , , , , , , , , , ,31 n/a n/a , ,

6 3. ábra. Az átmeneti grafitos öntöttvas mechanikai tulajdonságai szobahőmérsékleten. Az átmeneti grafitos öntöttvas szövetszerkezeti tulajdonságainak jellemzése a Swerea SWECAST Intézet közreműködésével készült. A próbatesteken vizsgált terület 28,74mm 2 volt, ami meghaladja a szabványban [ISO 16112:2006] előírt vizsgálandó terület értékét (4mm 2 ). A 3. táblázatban szerepelnek az átmeneti grafitos öntöttvas mikrostruktúrájával kapcsolatos adatok. 4

7 Jelölés Öntvény- méret, mm Gömbösödési arány (%) A grafit- részecskék száma (mm 2 ) Grafit- részecskék átlagos területe (μm 2 ) Grafit- részecskék körszerűsége Grafit átlagos hossza, (μm) A perlit lemeztávolsága, nm A porozitás maximális hossza, (μm) A képelemzéssel vizsgált jellemzők: Grafit frakció, (terület %) A perlit lemeztávolsága (nm) Porozitás maximális hossza (μm) A grafit részecskék száma (mm 2 ) Gömbösödési arány (%) Grafit átlagos hossza (μm) 4. Táblázat. Az átmeneti grafitos öntöttvas mikrostruktúrájával kapcsolatos adatok 1V 2V 3V 4V , , , , , , , , , , , , A szakirodalmi közlemények szerint a molibdén növeli az eutektikus cellák számát a lemezgrafitos öntöttvasban és finomítja a fémes szövetet. A 4. ábrán a saját kísérletek eredményei alapján az átmeneti grafitos öntöttvas molibdén tartalma és a perlit lemeztávolsága közötti összefüggés látható a különböző átmérőjű hengerekből kimunkált próbatestek esetén. 5

8 4. ábra. A perlit lemeztávolsága a molibdén tartalom függvényében különböző átmérőjű öntvény esetén A HŐFARÁSZTÓ VIZSGÁLATOK A vizsgálatokat a 5. ábrán bemutatott műszer segítségével végeztem el. A próbatest felhevítése indukciós tekerccsel történt, melynek frekvenciája 300 khz. A próbatest lehűtése a befogó fejeken elhelyezett vízáramoltatású hűtőfuratokkal és levegővel történt. A felmelegítési és lehűtési folyamat szabályozása a próbatesten rögzített hőelem jele alapján történt. A próbatestben létrejött termikus feszültségeket erőmérő cella ellenőrizte. 6

9 5.a ábra. A korlátozott termikus fárasztás vizsgálathoz használt rendszer elvi rajza 5.b ábra. A korlátozott termikus fárasztás vizsgálathoz használt rendszer részegységei A mért értékeket TracerDaq adatgyűjtő program regisztrálta. A hőmérséklet-gradienseket a próbatest mentén egy másik hőelemmel mértem különböző pozíciókban. A próbatest belsejében közel a közepéhez volt elhelyezve egy hőelem, amelynek segítségével lehetőség volt arra, hogy ellenőrizzem a darab belső és külső része közötti hőmérséklet különbséget. A termikus ciklus kezdetén a próbatestet 108 o C ra hevítettük. Ezen a hőmérsékleten történt a darab befogása. A beállítások után a próbatestet tovább hevítettük 600 o C-ra 80 másodperc 7

10 alatt, majd 150 másodpercig hőntartás után lett lehűtve 180 másodperc alatt. Ezt követően a próbatest ismételt felhevítése azonnal folytatódott. A darab mindenféle axiális mozgástól korlátozva volt, ezáltal a próbatest terhelése tengelyirányú feszültség ciklusok kialakulásából állt. A folyamat első 10 ciklusának hőmérséklet- és feszültség- görbéi a 6. ábrán láthatók (az ábrán szereplő adatok a három anyagból vizsgált három próbatest értékei). A vizsgálatokat a darab töréséig ismételtem. 6.a ábra A termikus feszültség változása az idő függvényében az első 10 ciklus alatt 6.b ábra. A hőmérséklet változása az első 10 ciklus alatt a próbatest belső és külső részén. A töréshez tartozó ciklusszám mérési adatait a 4. táblázat és a 7. ábra mutatja. 8

11 4. Táblázat. A hőfárasztási ciklusok száma a vizsgált anyagok esetén. Ötvözet jele 1V 2V 3V 4V 1L 20 mm 55 mm 85 mm Egyedi Átlag Szórás Egyedi Átlag Szórás Egyedi ábra. Hőfárasztási ciklusok száma a molibdén függvényében különböző átmérőjű öntött próbatest esetén. Az eredményeim megmutatták a hőfárasztási ciklusok száma összefüggése a molibdén tartalom 0,6 hatványú függvényévvel. 9

12 8. ábra. Tőrésig való ciklusok száma a molibdén tartalom N-edik hatványa függvényében, lemezgrafitos öntöttvasból [Gundlach] és átmeneti grafitos öntöttvasból készült öntvényeknél ([Ziegler] és a saját mérési eredményeim) Megvizsgáltam a molibdén tartalom, a mechanikai tulajdonságok (Brinell keménység), a vizsgált anyagok mikrostruktúrája (perlit lemeztávolság), valamint az átmeneti grafit aránya és a hőfárasztási ciklusok száma közötti összefüggéseket. Az átmeneti grafit arányát egy képelemző szoftver segítségével határoztam meg. A szoftver használja az Otsu féle szegmentálást és egyszeri bináris nyitást. A szegmentálás célja: megtalálni azokat a küszöböket, amik az értékkészletet intenzitás osztályokra bontja. Ennek az eredménye az objektumok címkézése az alapján, hogy milyen intenzitás osztályba esnek. A bináris nyitás és a zárás az apróbb objektumok, a zaj eltüntetésére szolgál, és attól függően alkalmazandó, hogy a háttérből kívánunk-e szűrni szükségtelenül detektált elemeket, avagy az objektumokban maradtak apró detektálatlan képpontok. Az átmeneti grafit képelemzéssel meghatározott arányát (R) az alábbi képlet alapján lehet számolni: S (1) ÁG R x100[%] S ÖG Az (1) összefüggésben az S ÁG az átmeneti grafit, az S ÖG pedig az összes grafit területe egy metallográfiai mezőben. A 4. táblázat mutatja a molibdén tartalom hatását az átmeneti grafit arányára. A 9. ábra a hőfárasztási ciklusok száma és az átmeneti grafit aránya közötti összefüggést mutatja. 10

13 4. Táblázat. Az átmeneti grafit aránya különböző molibdén tartalmú próbák esetén Ötvözet jele Öntvény méret (mm) Átmeneti grafit arány (%) 1V 20 85, V 20 84, V 20 83, V 20 77, Hőfárasztási ciklusok száma 9. ábra. Hőfárasztási ciklusok száma az átmeneti grafit arány függvényében a K jelű hengerből készült próbatestek esetén. 11

14 2.2 FESZÜLTSÉGRELAXACIÓ VIZSGÁLATOK Megvizsgáltam a termikus feszültség leépülésének időbeli változását, relaxációját is. A feszültség relaxáció vizsgálatai során használt rendszer megegyezik a hőfárasztási vizsgálatok során használttal. A vizsgálathoz a próbatesteket a beömlő rendszertől távol lévő 20 mm átmérőjű rúdból munkálták ki. A feszültség relaxáció vizsgálatot 350 és 600 o C fokon végeztem el. A feszültség relaxáció vizsgálat lépései a következők voltak: 1. a próbatest felhevítése 108 o C fokra; 2. a próbatest megszorítása a 108 o C hőmérsékleten; 3. a próbatest hevítése 600 o C ra, illetve 350 o C ra; 4. hőntartás hosszú ideig a beállított hőmérsékleten. A 10. ábrán látható a 350 o C-on és a 600 o C-on végzett feszültség relaxáció vizsgálatok összehasonlítása a három vizsgált anyagminőségből öntött próbatest esetében. 10. ábra. A különböző hőmérsékleten végzett feszültség relaxáció vizsgálatok összehasonlítása 12

15 ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK A következő megállapítások molibdén mentes és 0,23 0,46-1,01 tömeg % Mo-tartalmú átmeneti grafitos öntöttvasra érvényesek, a következő átlagos összetételekkel (tömeg %): 3,5 3,7 C; 2,18 2,30 Si; 0,56 0,59 Mn; 0,006 0,0032 P (max); 0,008 0,012 S (max); 0,04 0,05 Cr (max); 0,03 Ni (max); 0,57 0,60 Cu; 0,140 0,156 Sn; 0,011 Mg (maradék: Fe). A komponensek közül csak a P mennyisége korrelált a Mo mennyiségével. Ezekből az öntöttvas anyagokból 20 mm átmérőjű és 170 mm hosszú öntvényeket öntöttem furángyantás homokkeverékbe, melyekből a vizsgálatokhoz 120 mm hosszú próbatesteket munkáltam ki. A próbatestek mechanikai tulajdonságait és szövetszerkezetét szobahőmérsékleten vizsgáltam. A hőfárasztó vizsgálatok során a próbatestet 300 khz frekvenciájú tekerccsel hevítettem fel, majd vízáramoltatású hűtőfuratokkal és levegővel hűtöttem. Minden ciklus egy 80 másodperces melegítési (108 o C ról 600 o C-ra), egy 150 másodperces hőntartási és egy 180 másodperces hűtési (600 o C-ról 108 o C ra) szakaszból állt. A vizsgálatokat a darab töréséig ismételtem. 1. Az átmeneti grafitos öntöttvas Mo-tartalma és mikroszerkezete között a következő összefüggéseket tártam fel: 1.1. A perlitlemezek távolsága csökkenő tendenciát mutat a Mo-tartalom növelkedésével a Mo-tartalom (0 tömeg % és 1,01 tömeg % tartományában A grafitszemcsék területaránya lineárisan csökken a Mo-tartalom növelésével 11,5 %-ról (0,0 tömeg % Mo) kb. 8,0 %-ra (1,01 tömeg % Mo) A grafitszemcsék átlagos hossza az Ø20 mm-es próbatestek esetén közel azonos m a 0,23 1,01 tömeg % Mo-tartalom intervallumban, ami lényegesen kisebb, mint a Mo-mentes ötvözetben mért 52 m Az átmeneti grafit részaránya kismértékben csökken (85,2 %-ról 83,8 %-ra) a 0,0 0,46 tömeg % Mo intervallumban, és ehhez képest nagymértékben (77,8 %-ra) csökken a Mo-tartalom 1,01 tömeg %-ra való emelésével Az eutektikus cellák átmérője kismértékben csökken a Mo-tartalom növelésével 334 m -ről (0,0 tömeg % Mo) kb. 313 m -re (1,01 tömeg % Mo). 13

16 2. Az átmeneti grafitos öntöttvas Mo-tartalma és mechanikai tulajdonságaira szobahőmérsékleten a következő összefüggéseket tártam fel: 2.1. A szakítószilárdság az Ø20 mm-es próbatestek esetén a Mo-mentes öntöttvasra jellemző 506 MPa értékről 557 MPa-ra növekszik 0,23 tömeg % Mo-tartalom mellett, majd a további Mo-koncentráció növelés hatására a szakítószilárdság lineárisan csökken, 310 MPa értéket érve el 1,01 tömeg % Mo-tartalom mellett A nyúlás a Mo-mentes öntöttvasra jellemző 1,58 % értékről 1,83 %-ra növekszik 0,23 tömeg % Mo-tartalom mellett, majd a további Mo-koncentráció növelés hatására a nyúlás csökken, 0,31 % - ot érve el 1,01 tömeg % Mo-tartalom mellett A rugalmassági modulus (E 0 ) és a rugalmassági határ (R p0,2 ) csak elhanyagolható mértékben növekszik a Mo-tartalom növelésének hatására A Brinnel keménység tendenciájában növekszik a Mo-mentes öntöttvasra jellemző 231-ös értékről az 1,01 tömeg % Mo-t tartalmazó ötvözetre jellemző 253-as értékre. 3. Az öntöttvas hőfárasztó vizsgálatainak eredményeként a következő megállapításokat tettem: 3.1. A Mo-mentes átmeneti grafitos öntöttvas 45%-kal több (310) hőfárasztó ciklust bír ki, mint a szintén Mo-mentes lemezgrafitos öntöttvas (220) Megállapítottam, hogy a hőfárasztási ciklusok száma függ a molibdén-tartalom 0,6 hatványától. N 1250*Mo 0, A Mo-tartalom befolyásolja az átmeneti grafitos öntöttvasak feszültség relaxációját. Minél nagyobb az öntöttvas Mo-tartalma a vizsgált 0 1 tömeg% tartományban, annál kisebb a feszültség relaxációja 600 C-on. 14

17 4. AZ ÉRTEKEZÉS TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEINEK JELENTŐSÉGE ÉS HASZNOSÍTÁSUK LEHETŐSÉGEI Az értekezés tudományos eredményei: - hozzájárulnak az átmeneti grafitos öntöttvas felhasználók számára fontos tulajdonságainak a megismeréséhez és az alkalmazásának fejlesztéséhez, - közvetlenül felhasználhatóak a BSc és MSc oktatásban, - beépülnek a kidolgozás alatt álló akkreditált felnőttképzési tanfolyami anyagokba, - felhasználhatóak az öntészeti oktatás tananyagában és az öntészeti kutatás-fejlesztési projektekben. A kísérleti munka eredményei segítségével egy diplomamunka készült a Jönköpingi Egyetemen. Címe: Termomekanisk utmattning av bromsskivematerial. A kísérletek eredményei alapján optimalizált gyártási technológia bevezetésre került a svédországi hőálló motoröntvények gyártási struktúrájába. 15

18 5. AZ ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉBŐL MEGJELENT PUBLIKÁCIÓK Folyóiratcikkek 6. Diaconu Vasile Lucian, Sjögren Torsten PhD., Skoglund Peter PhD., Dr. Diószegi Attila: A molibdén ötvözés hatása az öntöttvasak termomechanikus hőfárasztási tulajdonságaira (küldve a Bányászati és Kohászati Lapoknak) 5. V. L. Diaconu, T. Sjögren, P. Skoglund, A. Diószegi: The stress relaxation of compacted graphite iron alloyed with molybdenum (Elfogadva publikálásra a International Journal of Cast Metal Research című folyóiratban; DOI: / Y ) 4. V. L. Diaconu, T. Sjögren, P. Skoglund, A. Diószegi: Influence of molybdenum alloying on thermomechanical fatigue life of compacted graphite irons (DOI: / Y , International Journal of Cast Metal Research, 2012, Vol. 25, No. 5, oldal) 3. A.Diószegi,V.Fourlakidis,L.V.Diaconu: "Effects of Carbon Content on the Ultimate Tensile Strength in Gray Cast Iron", 5th International Conference on Solidification and Gravity, Miskolc 2008, Materials Science Forum 2010, Volume 649. (Trans Tech Publications, ISBN , pp ) 2. Conf. Dr. Ing. Attila Diószegi, Drd. Ing. Vasile Lucian Diaconu: Microstructure and Tensile Property Simulation of Grey Cast Iron Components, Revista de Turnatorie (Román Öntészeti Lapok), nr. 9-10, 2009, pp Ing. Camelia Bondesson, Dr. ing. Attila Diószegi, Ing. Vasile Lucian Diaconu: Report on Industry Casting in Sweden - A svédországi öntőipar ismertetése, Revista de turnatorie, nr , (Román Öntészeti Lapok) pp Konferencia kiadványok 3. Diaconu Vasile Lucian, Sjögren Torsten, Skoglund Peter, Diószegi Attila: Az átmeneti grafitos öntöttvas termomechanikus hőfárasztás vizsgálata, XII. Bányászati, Kohászati és Földtani Konferencia - BKF 2010, április 8-11., Nagyenyed (Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság, INCITATO Nyomda Kolozsvár, ISSN , pp.34 38) 2. Vasile Lucian Diaconu, Torsten Sjögren, Peter Skoglund, Attila Diószegi: Thermomechanical fatigue investigation of compacted graphite irons, XXIV. 16

19 microcad, Nemzetközi Tudományos Konferencia március (ISBN Ö, pp.45-51) Hivatkozás Anders Berglund Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron Materials, KTH Royal Institute of Technology, Department of Production Engineering, Machine and Process Technology, Doctoral thesis, Stockholm, Sweden, 2011, ISBN Diaconu Vasile Lucian The examination of ductile iron porosity and flotation failures, 5th International PhD Foundry Conference, Brno, május (Czech Foundrymen Society, BUT Faculty of Mechanical Engineering, CD kiadvány) Előadások 6. Diaconu Vasile Lucian, Sjögren Torsten, Skoglund Peter, Diószegi Attila: Az átmeneti grafitos öntöttvas termomechanikus hőfárasztás vizsgálata, XII. Bányászati, Kohászati és Földtani Konferencia - BKF 2010, április 8-11., Nagyenyed 5. Vasile Lucian Diaconu, Torsten Sjögren, Peter Skoglund, Attila Diószegi: Thermomechanical fatigue investigation of compacted graphite irons, XXIV. microcad, Nemzetközi Tudományos Konferencia március D.V. Lucian, Sjögren T., Skoglund P.: A vermikuláris- és lemezgrafitos öntöttvas öntvények termomechanikus hőfárasztása, XX. Magyar Öntőnapok, Tapolca, október Torsten Sjögren, Lucian Diaconu, Peter Skoglund: "Experiment and results in Task Thermo-mechanical fatigue (TMF) testing of compacted and gray cast iron" - Cast Iron Seminar within IEC/CIC WP2, Jönköping, 2009.június Diaconu Vasile Lucian: The examination of ductile iron porosity and flotation failures, 5th International PhD Foundry Conference, Brno, május Diaconu Vasile Lucian: Gömbgrafitos öntöttvas porozitási hibainak vizsgálata, XIX. Magyar Öntőnapok, Lillafüred, október

20