NEDESTRUKTIVNÍ STRUKTUROSKOPIE SLOŽITÝCH AUTOMOBILNÍCH LITINOVÝCH ODLITK

Transkript

1 NEDESTRUKTIVNÍ STRUKTUROSKOPIE SLOŽITÝCH AUTOMOBILNÍCH LITINOVÝCH ODLITK Betislav Skrbek TU Liberec, TEDOM Jablonec. Abstract Barrier strength of cylinders from various periods. This thesis deals with barrier strength of engines from various periods which the firm TEDOM s.r.o. produces presently. In the thesis, the data from the previous expert s reports are processed. The data are completed from destructive and non-destructive measuring. The processes of tensile tests on samples of cylinder barriers are written down with help of laser extensometer. Nondestructive investigation of structural mechanical features was carried out by the usage of method of magnetic pole with instrument DOMENA. Established values of structural mechanical features are evaluated from the point of time and they are discussed. 1. ÚVOD Pedmtem zkoumání jsou meziválcové pepážky spalovacího motoru, který prošel v prbhu své existence mnoha obmnami, a již v souvislosti s použitím i následnými zmnami organizací. Motor je používán jako hnací jednotka v nákladních automobilech a autobusech, nebo jsou nyní tyto motory využívány jako zdroje v kogeneraních jednotkách.v souvislosti se zmnami na trhu po roce 1989 s nákladními automobily došlo v prbhu nkolika let k výraznému poklesu produkce s následnou obmnou organizací od národního podniku LIAZ až po souasnou spolenost TEDOM s.r.o., která motory dále produkuje. Vzntový motor jako takový se skládá z mnoha souástí, mezi kterými mají podstatnou roli kovové díly vyrobené z polotovaru od hutí a sléváren. Jednou z nejdležitjšíchástí je samotný blok válc (cca 400kg), který tvoí nosnou ást motoru a s ohledem na mechanické vlastnosti v jednotlivých jeho ástí do znané míry ovlivuje životnost a spolehlivost motoru jako celku. Odlitek bloku je relativn tenkostnný (6 až 50mm) a krystalizaní pomry pi tuhnutí ve form jsou pomrn složité. Z tohoto dvodu nelze na mechanické vlastnosti v jednotlivých partiích usuzovat jen z materiálového listu píslušné normy. Užitné vlastnosti a životnost bloku mají výkyvy. Závisí na mnoha faktorech, kdy souasný výskyt více nepíznivých odchylek mže zpsobit extrémní vyboení vlastností bloku motoru. Z pedchozích poznatk a jednotlivých pedešlých výzkum se jako zatím strukturn nejcitlivjší na odchylky v metalurgii litiny projevují vnitní meziválcové pepážky, kterými se tato práce dále zabývá. K mapování vlastností litiny v ase i vybraných míst blok válc nedestruktivní cestou lze použít pouze prostedk fyzikální strukturoskopie - metod UT a MT. Získané souvislosti s výrobními vstupy vedly k výraznému zkvalitnní produkce blok válc.. Pedmtem šetení byly stovky blok válc z období ! Vzhledem k mimoádn velkému rozsahu pvodní práce [1] nezbytné zestrunní je na úkor pehledu.

2 2. NYNÍ PLATNÝ PEDPIS PRO BLOKY M4209 Blok válc M4209, litina s lupínkovým grafitemsn , tvrdost mena na desce hlav HB; Rm min. 250MPa, Eo 125GPa. Stední legování 0,22Cu; 0,22Ni; 0,3Cr. 3. PODMÍNKY MENÍ OBECNÝ POSTUP PI STANOVENÍ STRUKTUN MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ 1.Zkalibrovat Doménu na cejchovní kámen Mc=180 nebo Mc=200.Závisí, který kámen je k dispozici. 2.Pístrojem Doména 2 nebo 3 zmit v píslušném míst veliinu intenzity zbytkového magnetizmu Mi [-]. 3.Dle etalonové hodnoty Mc stanovit pevodní koeficient K1 mezi Remagem a Doménou (rovnice 23). 4.Výpoet korigované hodnoty Mki ze vztahu (24). 5.Korigovat hodnotu Mki na tloušku stny Mksi dle vztahu (25). 6.Výpoet modulu pružnosti Eo podle vztahu (17). Na stanovení zdánlivé tloušky stny Lu použít digitální defektoskop DIO 562 nebo ultrazvukový tlouškomr DC Skutenou tloušku L zmit posuvným mítkem. K1 Mc K ,5 2, Mi Mki K Mc 180,200 K 62,5 Mki - 81 L 1 Mksi 2, Výpoet tvrdosti dle vztahu (16, 20, 21). 8.Výpoet pevnosti dle vztahu (18, 22). 9.Výpoet množství feritu ve struktue (19). Aby se mení nemuselo u blok starších r.1995 opakovat byla provedena zptná korekce. Zptná korekce spoívá vtom, že po skonení mení na daném bloku se optovn provede mení na etalonový kámen a teprve z této hodnoty se spoítá pevodní koeficient mezi Remagem (pístroj používaný ) a Doménou K1. Hodnota Lu byla mena ultrazvukovým tlouškomrem DIGICHECK 2000DC 2000B s natavením rychlostí zvuku 5925m/s POUŽITÉ VZTAHY Individuální pístup byl zvolen u blok, které byly promeny v rámci diplomové práce. Hndou barvou jsou oznaeny tvrdosti, protože jsou poítány z korigovaného vztahu (20). Tato rovnice byla získána ze závislosti tvrdosti HBP Mks (viz. Obr.3) lineární regresí z velmi malého potu vzork a je nutné je takto vnímat.vztah je použit z toho dvodu, že pro daný (malý) poet mení dává lepší výsledky než vztah (16). HB 2,57 Mks 98,1-16 F 145-2,8 Mks % 19 Eo437,79 L Lu 2 GPa 17 HB 2,16 Mks 99,27-20

3 Rm 234-1,66 F MPa 18 HB 0,599 Mks133,47-21 Rm 1,377,211 L Lu 2,278 HB 0,75 72,5 MPa 22 Vztah (20) je uren za pomoci lineární regrese programem Microsoft Excel KORIGOVANÝ VZTAH PRO VÝPOET TVRDOSTI BLOKU Mení tvrdosti probíhala kladívkem Poldi HBP na výkresem pedepsaném míst tj. v hlavové partii mezi tetím, tvrtým válcem a navíc z dvodu vysoké tvrdosti byly u nkterých blok oveny tvrdosti bok ložiskové partie pro uložení klikového hídele.tímto zpsobem vzniklo 16 hodnot (viz. Tab. 017) ze kterých je urena korigovaná rovnice (20). TAB. 017 NAMENÉ HODNOTY HBP A Mks Poet m HBP Mks HB Hodnoty HB jsou poítány již ze vztahu (20) y = 2,16x + 99,27 R 2 = 0, OBR. 3 - ZÁVISLOST TVRDOSTI HBP - Mks POZN: U všech blok, které byly v této práci zkoumány jsou poítány hodnoty tvrdosti z rovnice (20). Absolutní hodnota korelace K>0,9.

4 3.2. MENÁ MÍSTA BLOKU MOTORU OBR. 1 MENÁ MÍSTA NA BLOKU MOTORU Na obrázku 1 a 2 jsou znázornna místa, která byla podrobena zkoumání.u modelu M4209 byla pístrojem Domena mena pepážka 3/4 a hlavová partie mezi tetím a tvrtým válcem.válcové pepážky byly meny na dvou místech tsn nad otvory pro chladící medium a to na stran blíže výmníku a stran protilehlé blíže k vývrtu pro vakový hídel. Model M4209 (nízkolegovaná GJL) nemá stejné uspoádání jako na obrázku 2 znázornný model M3341/2, a proto nelze mit stna výmníku. Místo výmníku je promena oblast uložení pro klikovou hídel, bok ložiska a pravá i levá spodní ást ložiska. Pi mení meziválcových pepážek je snahou zaznamenat rozdíly ve strukturn mechanických vlastnostech v samotné pepážce mezi vakovým hídelem a výmníkem. Pro rozpoznání jsou pepážky meny v ásti blíže k vace indexovány íslem 1 a blíže k výmníkuíslem 2 (viz. OBR. 1). OBR.4- DIGICHECK 2000 DC 2000B

5 Obr.2 -MODEL M3341/II V1,V2,V3..poadí válc nabíhá vždy od rozvod Indexu 1 písluší oznaení spodní ásti ložiska vlevo pi pohledu od rozvod motoru. Indexu 2 spodní ást na pravé stran (viz. OBR. 1, 2) POUŽITÉ PÍSTROJE 1. DOMENA B3, FIRMA ELKOSO Brno, SONDA M. Pístroj doména slouží k zjišováni intenzity zbytkového magnetického pole Mi, popípad lze pímo odeítat tvrdost pi správném nastavení konstant A,B. ULTRAZVUK DIO 562, STARMANS Praha s dvojitou sondou 5MHz Tento pístroj slouží ke zjišování modulu pružnosti na základ pomru mezi skutenou tlouškou stny L a zdánlivou Lu. 3. ULTRAZVUKOVÝ TLOUŠKOMR DIGICHECK 2000 DC 2000B, PTS Solna Ostrava. Pro mení tloušky stn v terénu je tento pístroj (viz.obr.4) výhodnjší, nebo je snadnjší na obsluhu je kompaktnjší a výsledky se ukazují samostatn na digitálním display. Rychlost šíení zvuku lze nastavit mezi m/s a mící rozsah standardní sondy PT-08 5 MHz je 1 až 200 mm. Pístroj je napájen dvmi alkalickými tužkovými bateriemi 1,5 V a vetn baterií je jeho hmotnost pouhých 150 g. Pístroj je kalibrován na pístrojové mrce tloušky 4mm s pednastavenou rychlostí šíení zvuku 5925 m/s.

6 4. POLDI KLADÍVKO,POROVNÁVACÍ TYKA, LUPA, TABULKY 5. POSUVNÉ MÍTKO. 4. NAMENÉ A VYPOTENÉ HODNOTY Píklad jedné ze stovek tabulek výsledk mení pro konkrétní blok válc: Namené h. Vypotené hodnoty Mc=200 Pepážka Ložisko Hlava TAB.001 3/4 7 bok 7 1/2 3/4 M1 DOMENA 3 170,00 0, ,00 232,00 0, ,00 M2 DOMENA 3 176,00 212,00 Lu1 [mm] 11,63 67,00 23,00 Lu2 [mm] 11,36 L1 [mm] 9,35 55,70 18,70 L2 [mm] 9,20 Mk1 [-] 53,13 68,75 72,50 65,00 Mk2 [-] 55,00 66,25 Mks1 [-] 47,38 72,45 63,97 Mks2 [-] 48,80 Tvrdost Poldi 260,50 239,00 Eo1[Gpa] 123,81 132,46 126,69 Eo2 [Gpa] 125,62 HB1 201,62 255,76 237,44 HB2 204,68 Rm1 [Mpa] 248,85 342,32 300,43 Rm2 [Mpa] 257,89 F1 [ % ] 12,33 0,00 0,00 F2 [ % ] 8,36 5. HODNOCENÍ VLASTNOSTÍ V PEPÁŽKÁCH VÁLC Názorn uveden jeden z dílích poznatk. Na obrázku 5 je znázornn sloupcový graf, kde bylo snahou graficky popsat zvyšování pevnosti pepážek od roku 1971 až do souasné doby po celé délce bloku motoru. Pro posouzení velikosti jsou nkteré hodnoty íseln vyobrazeny. Z obrázku jasn vyplývá, že v prbhu let docházelo ke zvyšování pevnosti pepážek. Jak je patrné do roku 1986 docházelo k plynulému zvyšování pevnosti. Po tomto roce dochází ke stagnaci až mírnému propadu. Tento stav trvá do roku 1993, kdy lze na sloupcovém grafu v tomto roce zaznamenat skokové zvýšení pevnosti. Po tomto roce dochází k mírným výchylkám až po maximum v roce Faktory, které zpsobovaly výkyvy vlastností pepážek v jednotlivých letech budou dále diskutovány. Pohled na stejnou vc pod jiným úhlem pedkládá obr píloha 52, kde je vyjádena dvojrozmrná struktura ze stedních hodnot (HB,Eo) pepážek daných blok v souvislosti s rokem výroby. Obr. 050 bude též dále diskutován v kapitole

7 Pevnost pepážek válc motoru vase Rm [MPa] Rm 5/6 Rm 4/5 Rm 3/4 Rm 1/2 Rm 2/3 as [rok] OBR.5 PEVNOST PEPÁŽEK VÁLC MOTORU V RZNÉM OBDOBÍ. 6. ZÁVRY Na základ analýz a skuteností zjištných v práci [1] lze vyslovit následující závry: Provedené konstrukní a technologické zmny od roku 1971 po souasnost byly v globálním mítku velkým pínosem pro všechny zkoumané oblasti, zejména pak pro oblast meziválcových pepážek u kterých hodnoty pevnosti vzrostly až na dvojnásobek. Za kritické místo pro obrábní a to jak z historického tak souasného pohledu lze považovat partii ložisek klikové hídele, kde tekutá litina tuhne již s minimální prtoností a vykazuje proto nejvyšší tvrdost. Hodnoty pevností získané pomocí destruktivní (platí pro litiny SN ) a nedestruktivní diagnostiky jsou tém shodné. Z experimentálních vztah tedy lze pibližn usuzovat na absolutní hodnoty pevností v daném míst odlitku. Souasné kontrolní místo kvality litiny bloku na desce sezení hlav válc se ukazuje jako nedostatené. Nelze spolehliv usuzovat na kolísání strukturn-mechanických vlastností v odlitku. Rozptyl strukturn-mechanických vlastností vnitních stn (pepážek) je vyšší v základní kovové hmot (ferit, perlit). Pes výrazné zlepšení strukturn-mechanických vlastností pepážek je stále nutné považovat tyto oblasti za kritická místa bloku motoru. Strukturn-mechanické vlastnosti pepážek v píném smru jsou odlišné. Legování 0,6% Cu a 0,3% Cu; 0,15% (Cr Ni) vede k vysoké tvrdosti ložisek, ale vyrovnanosti vlastností míst HLAVA-PEPÁŽKA-LOŽISKO. Po prostudování jednotlivých expertíz a na základ zjištných skuteností, proto navrhuji:

8 Co nejdíve aplikovat ucelený systém kontroly jakosti bloku motoru pímo ve slévárn FEREX, nebo mení POLDI kladívkem na hlavové desce nepináší dostatený popis pro hodnocení kvality bloku motoru. Je nutno nasadit nedestruktivní zmapování struktury v partiích, které svými vlastnostmi lépe vystihnou jakost bloku. Mení provádt na každém bloku ve stední partii pepážek 3/4. Pro kontrolu z hlediska obrobitelnosti na každém pátém bloku promit první bok ložisek. Pro mení je zapotebí aplikovat kombinovanou kontrolní metodu ultrazvukovým tlouškomrem a bodového magnetického pólu pístrojem DOMENA.Ultrazvukový tlouškomr DIO 562 má slévárna k dispozici a není tak nutné investovat finanní zdroje do nákupu tohoto zaízení. Na pístroj Domena je nutno zajistit volné finanní zdroje (Domena B3.b s nabíjeem akumulátor ,- K bez DPH cena platná v roce 2002). Zavedení a následná kontrolníinnost vyžaduje zodpovdný pístup pracovník zejména pi mení skutené /L/ a zdánlivé /Lu/ tloušky stny. Aby byly eliminovány chyby pracovník (ve výpotech) pedkládám na CD v souboru s názvem Výpoet vlastností.xls tabulku s návrhem pro zadávání /L, M, Lu/ a výpoet hodnot /HB, Eo, Rm, F/. Pro optimalizaci obrábní navrhuji provádt legování 0,3%Cu 0,15%Ni, které nepipustí maxima HB a dávají pomrn vysoké hodnoty pevnosti v pepážkách. Pro ovení této skutenosti provést mení alespo na dvaceti takto odlitých blocích. Vzhledem k tomu, že se tato práce nezabývala souvislostmi mezi dosahovanými strukturn-mechanickými vlastnostmi v pepážkách a vstupními parametry (chemickým složením), navrhuji provést hloubkové profilování s cílem odhalit píiny znaných rozptyl vlastností mezi jednotlivými bloky motoru s ohledem na chemické složení. Píspvek vznikl za podpory výzkumného zámru MSM a project Academy of Sciences of Czech Republic no.1qs Literatura: [1] ezá Zdenk. Pevnost pepážek blok válc motoru z rzných období. Diplomová práce TU Liberec, KMT 220, leden 2007.