Andrzej Pytel

1. Żeliwo z grafitem wermikularnym –materiał konstrukcyjnyna elementy pracujące w warunkach zmęczenia cieplnego Andrzej Pytel ul. Zakopiańska 7330-418 Krakówtel. +48 12 26 18 111fax +48 12 26 60 870iod@iod.krakow.pl

2. 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.

3. 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 7330-418 Krakówtel. +48 12 26 18 111fax +48 12 26 60 870iod@iod.krakow.pl

4. 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 tojest wykorzystywane w coraz większym stopniu jako materiał konstrukcyjny wielu różnych elementów, szczególnie w przemyśle budowy samochodów, traktorów, maszyn rolniczych, pociągów, przemyśle hutniczym, szklarskim itp.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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 PN-EN1560:2001, 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.

9. 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).

10. Rys.1. Żeliwo z grafitem płatkowym Rys.2. Żeliwo z grafitem kulkowym

11. Rys.3. Żeliwo z grafitem wermikularnym Rys.4. Grafit wermikularny (zdjęcie skaningowe pow. 8000x)

12. 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.

13. Innowacje w odlewnictwie ciśnieniowym, Niepołomice 16-18.05.2012

14. 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.

15. 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.

20. 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

21. 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.

22. 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.

23. Tablica 3 Właściwości mechaniczne i fizyczne w temperaturze 20 C żeliwa wermikularnego w porównaniu ze standardowym żeliwem szarym i aluminium • 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

24. 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%.

25. 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.

26. 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 projektuw którym żeliwo to jest przedmiotem wszechstronnych rozważań przy wykorzystaniu najnowszej aparatury.

27. Instytut Odlewnictwa Dziękuję za uwagę Kopiowanie całości lub części prezentacji wymaga pisemnej zgody Instytutu Odlewnictwa w Krakowie.