BADANIA MATERIAŁOWE ODLEWÓW GŁOWIC SILNIKÓW

Transkrypt

1 16/38 Solidification of Metals and Alloys, No. 38, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 38, 1998 PAN Katowice PL ISSN BADANIA MATERIAŁOWE ODLEWÓW GŁOWIC SILNIKÓW ORŁOWICZ Władysław, OPIEKUN Zenon Zakład Odlewnictwa i Spawalnictwa, Politechnika Rzeszowska Rzeszów, ul W. Pola 2, POLAND STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań materiałowych dla doboru struktury umożliwiającej wzrost trwałości głowic. Dotychczas produkowane głowice ulegały deformacji (paczeniu się) w trakcie pracy silnika spalinowego. 1. WSTĘP Dotychczas odlewy głowic wykonuje się w wilgotnych formach piaskowych ze stopu AK 51. Metal o temperaturze C rafinuje się Rafalem 1 (5x3 pastylki na 100 kg stopu) a następnie wprowadza Nukleant 2 (3 pastylki na 100 kg stopu). Po wymieszaniu i ściągnięciu tlenków zalewa się formy. Odlewy poddaje się obróbce cieplnej. Przesycanie polega na nagrzaniu z szybkością 50 0 C/h do temperatury 520 ± 5 0 C, wygrzaniu w czasie 5 godzin i chłodzeniu w wodzie o temperaturze 60 0 C. Starzenie polega na nagrzaniu z szybkością 40 0 C/h do temperatury 250 ± 5 0 C, wygrzaniu w czasie 5 godzin i następnym chłodzeniu w powietrzu. W literaturze technicznej spotyka się nieliczne informacje o technologii wykonywania głowic. W pracy [1] podaje się, że odlewnia Fiat wykonuje głowice silników ze stopu zawierającego: 6% Si, 2% Cu, 0,3% Mn z zastosowaniem kokilarki karuzelowej i rdzeni piaskowych. Szersze informacje o tym stopie podaje praca [2]. Przegląd literatury nie dał odpowiedzi na pytania dotyczące szczegółów technologii wykonywania odlewów głowic. W związku z tym producent dostarczył do badań porównawczych głowicę renomowanej firmy samochodowej. Głowica wzorcowa wykazywała różną twardość u podstawy i na powierzchni. W oparciu o to spostrzeżenie postawiono tezę, że poprzez dobór struktury a tym samym wartości współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej można poprawić żywotność głowicy. Dlatego celem pracy było ustalenie wartości liniowego współczynnika rozszerzalności cieplnej materiału pobranego z wybranych miejsc głowicy wzorcowej i głowicy próbnej różniących się strukturą.

2 98 2. BADANIA WŁASNE Zakres badań Badania obejmowały analizę składu chemicznego, pomiary twardości, analizę strukturalną i ocenę wartości współczynników liniowej rozszerzalności cieplnej. Pomiary twardości wykonano z zastosowaniem twardościomierza Vickersa (obciążenie 5 kg). Badania dylatometryczne wykonano z zastosowaniem dylatometru z czujnikiem indukcyjnym i komputerowym zapisem danych. Materiał do badań Odlew głowicy wzorcowej wykonany był ze stopu o składzie 8,75% Si, 0,50% Cu, 0,43% Mg, 0,13% Mn, 0,22% Fe, 0,02% Ni, 0,03% Zn, 0,02% Ti,,0,02% Sn. Z odlewu tego wycięto próbki u podstawy oraz na wysokości 40 mm i 80 mm. Odlewy próbne ze stopu AK 51 wykonano w wilgotnej formie piaskowej. Podstawę odlewów odwzorowywały ochładzalniki stalowe o grubości 30 mm. Model odlewu próbnego wykonano według rys Powierzchnia odtworzona ochładzalnikiem Rys. 1. Szkic modelu odlewu próbnego. Fig.1: Drawing of the experimental casting pattern Badania właściwości mechanicznych Wyniki pomiarów twardości głowicy wzorcowej przedstawiono na rysunku 2. Ze względu na małe grubości ścianek nie było możliwości przygotowania próbek do oceny wytrzymałości na rozciąganie. Z tych samych względów pomiary twardości wykonano z wykorzystaniem twardościomierza Vickersa. Wyniki pomiarów wytrzymałości na rozciąganie, umownej granicy plastyczności i twardości głowicy próbnej przedstawiono na rys. 3

3 99 Twardość HV 5 Miejsce pomiaru Rys.2. Wyniki pomiarów twardości głowicy wzorcowej Fig.2: Results of measurements that had been performed on the standard head Materiał Miejsce Rm, A 5, HB pomiaru MPa % bez obróbki ,5 80 cieplnej ,3 71 po obróbce ,7 82,6 cieplnej ,7 74,2 Rys. 3. Wyniki pomiarów właściwości mechanicznych odlewów próbnych. Fig.3: Results of mechanical properties measurements that had been performed on experimental casting

4 100 Badania metalograficzne Na rysunku 4 przedstawiono strukturę odlewu próbnego z obszaru odtworzonego ochładzalnikiem (p.1. rys.3) i z obszaru odległego od podstawy o 80 mm (p.2 rys.3). Rys. 4. Struktura odlewu próbnego obrobionego cieplnie ; a) z obszaru przy podstawie (odwzorowanej ochładzalnikiem), b) z obszaru odległego od podstawy o 80 mm. Faza α, eutektyka α+β. Pow. 100x. Fig.4: Structure of experimental casting after heat treatment; a) in the area near the base of the casting (imitated with a chill); b) in the area at the distance 80 mm from the base. α phase eutectic α+β. Magnification x100 Badania współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej Przyjęto, że głowica może się nagrzewać maksymalnie do temperatury C. Cykl nagrzewania polegał na włożeniu próbki do pieca dylatometru nagrzanego do temperatury C, wygrzaniu w czasie 2 minut i chłodzeniu w wodzie. Badania wykonano na próbkach z odlewu wzorcowego i próbnego z obszarów wykazujących najwyższe i najniższe wartości twardości. Przykładowy dylatogram po cyklu nagrzewania i chłodzenia przedstawia rys. 5. Obliczone w oparciu o badania dylatometryczne wartości współczynnika α podaje tablica 1. Tablica 1. Wartości współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej. Table 1: Values of linear thermal expansion coefficient, αx10-6 1/ 0 C Zakres Współczynnik liniowy rozszerzalności cieplnej, α x10-6, 1/ 0 C Temperatur, 0 C materiał z obszaru o najwyższej twardości materiał z obszaru o najniższej twardości odlew wzorcowy odlew próbny Odlew wzorcowy odlew próbny nagrzewanie od 10 0 C do C ,55 14,90 16,17 16, ,21 33,09 29,62 32, ,83 24,02 22,90 24,32 chłodzenie od 10 0 C do C ,60 18,74 22,80 18, ,97 29,30 23,00 29, ,83 24,02 22,90 24,32

5 101 Nagrzewanie chłodzenie Rys. 5. Przykładowy dylatogram po nagrzewaniu i chłodzeniu. Fig.5: Example of dilatograph after heating and cooling 3. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ W oparciu o pomiary twardości głowicy wzorcowej sądzić można, że powierzchnia dolna i boczna powierzchnia zewnętrzna odlewu odtworzone były w formie metalowej. Wewnętrzną i górną powierzchnię odtwarzać mogły rdzenie. Efektem zastosowania formy metalowej lub ochładzalników jest miejscowe zwiększenie szybkości krystalizacji. W wyniku tego w obszarach przyległych do ochładzalników uzyskuje się drobnoziarnistą strukturę odlewu. Te obszary odlewu charakteryzują się wyższymi wartościami twardości. Obróbka cieplna nie wyeliminowała tych różnic. Zakres Współczynnik liniowy rozszerzalności cieplnej, α x10-6, 1/ 0 C Temperatur, 0 C materiał z obszaru o najwyższej twardości materiał z obszaru o najniższej twardości odlew wzorcowy odlew próbny Odlew wzorcowy odlew próbny nagrzewanie od 10 0 C do C ,55 14,90 16,17 16, ,21 33,09 29,62 32, ,83 24,02 22,90 24,32 chłodzenie od 10 0 C do C ,60 18,74 22,80 18, ,97 29,30 23,00 29, ,83 24,02 22,90 24,32 Wyniki badań dylatometrycznych pozwoliły stwierdzić, że podczas nagrzewania i chłodzenia próbek obserwuje się dwa zakresy temperatury, (od 10 0 C do C i od C do C) w których wartości współczynnika liniowego rozszerzalności cieplnej α mogą się znacznie różnić. Wartości tego współczynnika dla obu stopów są najniższe dla dolnego zakresu temperatury, a najwyższe dla górnego zakresu temperatury podczas nagrzewania. Przy chłodzeniu wartości współczynnika α w górnym zakresie temperatury są niższe lub zbliżone do wartości w dolnym zakresie temperatury. Dla próbek pobranych z obu materiałów

6 102 widoczny jest wpływ struktury na wartość współczynnika α. Próbki materiału z obszarów o wyższej twardości charakteryzują się niższymi wartościami współczynnika ogólnego α, tzn. w zakresie temperatury od 10 0 C do C. Tak więc zróżnicowanie struktury w ściance odlewu wzorcowego a przez to zróżnicowane wartości współczynnika α (na wysokości odlewu a także na grubości ścianki) powoduje, że podczas nagrzewania i chłodzenia występuje złożony stan naprężeń, co może korzystnie wpływać na żywotność głowicy. 4. PODSUMOWANIE. Odlew głowicy wzorcowej (8,75% Si, 0,50% Cu, 0,43% Mg, 0,13% Mn, 0,22% Fe, 0,02% Ni, 0,03% Zn, 0,02% Ti,,0,02 % Sn) oraz odlewy próbne (AK 51) wykazują u podstawy i w górnych obszarach zróżnicowaną strukturę charakterystyczną dla różnych warunków krystalizacji. Zastosowanie obróbki cieplnej (przesycanie i starzenie) nie zlikwidowało zróżnicowania strukturalnego a tym samym różnic właściwości mechanicznych i twardości materiału głowicy próbnej. Stop użyty na głowicę wzorcową oraz na odlewy próbne wykazuje przy nagrzewaniu i chłodzeniu dwa zakresy temperaturowe współczynnika α. Podczas nagrzewania obserwuje się większe różnice wartości współczynnika α niż podczas chłodzenia. Dla obu materiałów obserwowano podobny charakter wpływu struktury na wartość współczynnika α. Materiał o strukturze charakterystycznej dla większych prędkości krystalizacji pierwotnej wykazuje niższe wartości współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej α. W oparciu o badania materiałowe odlewu wzorcowego i próbnego stwierdzić można, że zastosowanie stopu AK 51 przy odpowiednim dopracowaniu technologii formy zapewniającej większe szybkości krystalizacji w obszarach przy podstawie zagwarantować powinno poprawę żywotności głowicy. LITERATURA [1] Tappen W.: Jahresűbersicht Leichmetall-Sand und Kokilenguss Technologie. Giesserei, 1977, nr 18, str [2] Medana R.: Effect of impurities and metallurgical conditions on casting properties of AlSi6Cu2Mg alloy, 44 MKO, Florencja, 1977, ref. nr 12. Władysław Orłowicz Zenon Opiekun METALLURGICAL INVESTIGATION OF DIESEL ENGINE HEAD CASTINGS Summary The paper presents results of metallurgical investigations, the purpose of which was selection such a structure that should enabled to increase head durability. Up to the present diesel engine head produced undergo deformation during operation.