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 iod@iod.krakow.pl

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.

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 iod@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.

wyższą wytrzymałość na rozciąganie, 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.

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.

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.

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.

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).

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

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

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.

Żeliwo wermikularne ferrytyczne Żeliwo wermikularne perlityczne Wybrane wskaźniki Jednostka Żeliwo szare Żeliwo wermikularne ferrytyczne Żeliwo wermikularne perlityczne Żeliwo sferoidalne Wytrzymałość na rozciąganie, Rm MPa 100 - 400 min. 300 400 - 500 350 - 900 Umowna granica sprężystości, Rp0,2 - min. 240 340 - 440 250 -600 Wydłużenie, A5 % max 1,5 min. 2 1 3 - 30 Wytrzymałość na zginanie 300 - 600 600 700 800 - 1200 Wytrzymałość na ściskanie 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) 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 ( 20÷200o) W/m·K 46 - 59 38 - 46 34 25 - 38 Wsp. liniowej rozszerzalności cieplnej, α( 20÷200o) 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 0,7 - 1,1 Skurcz objętościowy 1,0 - 3,0 1,0 - 5,0 1 - 5 7 - 10 Innowacje w odlewnictwie ciśnieniowym, Niepołomice 16-18.05.2012

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.

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.

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]

Rys.9. Obudowa skrzyni biegów samochodów osobowych [27] Rys.10. Obudowa tylnej osi samochodów osobowych (widok i przekrój) [27]

Rys. 13. Kadź żużlowa; masa 18t [27] 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]

Rys. 15. Tuleja cylindrowa [23] Rys.16. Tarcza hamulcowa dla szybkobieżnych pociągów [23]

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

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.

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.

Tablica 3 Właściwości mechaniczne i fizyczne w temperaturze 20 C żeliwa wermikularnego w porównaniu ze standardowym żeliwem szarym i aluminium Właściwość Jednostki GJV 450 GJL 250 GJL 300 A 390.0 Wytrzymałość na rozciąganie MPa 450 250 300 275 Moduł elastyczności GPa 145 105 115 80 Wydłużenie % 1-2 1 Wytrzymałość na zginanie obrotowe w temperaturze 20°C 210 110 125 100 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

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%.

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.

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.

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