Studentská tvůrčí činnost

Studentská tvůrčí činnost Téma: Analýza chemického složení a jeho vliv na četnost trhlin v odlitku Zpracoval : Přemysl Hanzal r: V/10 obor: VIN

1. Úvod: Cílem této práce je prokázat souvislosti mezi technologickými a metalurgickými pochody a vzniku a četnosti trhlin. K opravě trhlin, které byly detekovány kontrolou, byla použita technologie opravného svařování. Technologie opravného svařování musela být poměrně často opakována, někdy bylo nutno tento proces opakovat až 4x. Tím velmi razantně rostly náklady na výrobu odlitků. Námi analyzovaný odlitek je vyroben z nízkouhlíkové oceli, která nese označení ASTM A27/ A 27M. Tato konkrétní práce se bude věnovat pouze statistickým vyhodnocením počtu vzniklých trhlin v závislosti na chemickém složení taveb. V závěru je naznačen směr dalších analýz, ve kterých bude pokračováno. Objem dat, který byl k této práci použit, byl získán za období 1.1.2008 1.2.2008. Jedná se celkově o 151 kusů zkoumaných odlitků, které byly odlity z 71 taveb. Pro větší objektivitu a případné vyvození jednoznačných závěrů bude práce pokračovat analýzou odlitků za období od 1.1.2007 do 1.1.2008. Četnost trhlin je statisticky analyzována v závislosti na mh.% C, Mn, Si, P, S, Cr, Ni, Cu, a Al. Uvedený rozsah analýzy by nám má zaručit jistotu v závěrech. Trhliny jsou detekovány pomocí defektoskopické polévací metody InKar. ČKD Kutná Hora a.s. neposkytla fotografie odliku z důvodu ochrany své technologie. V samotné prezentaci však jako ukázka budou zobrazeny. 1

2. Chemické složení a mechanické vlastnosti materiálu ASTM A27/A 27M ASTM A27/A 27M ČSN 42 2643 C Mn Si P S Cr Ni Cu Mo V Al CHEMICKÉ SLOŽENÍ [%] Tavírna Maximm Max. omezení min. 0.18 0.60 0.30 - - - - - - - 0.04 max. 0.20 0.90 0.50 0.025 0.020 - - 0.20 - - 0.08 C Mn Si P S Cr Ni Cu Mo V Al min. - - - - - - - - - - - max. 0.21 1.00 0.60 0.025 0.020 - - - - - - 1 2 3 EC ( C e ) EC1 ( C e ) EC2 ( C e ) P+S NC NC1 -! 0.76! - - - - EC=C+1/6Mn+1/5(Cr+Mo+V)+1/15(Cu +Ni) ; EC1= C+1/3(Mn+Cr)+1/6(Si+Ni)+1/2Mo EC2= C+1/6Mn+0.04; NC=Cr+Ni+Cu+Mo ; NC1=Cr+Ni+Cu+Mo+V MECHANICKÉ VLASTNOSTI R e (R p 0,2) [MPa] R m [MPa] A 5 min. [%] Z min. [%] 240 T [ o C] KCU 3 [J/cm 2 ] 450 - - - 24 - - - 35 Zkouška rázem v ohybu KV [J] - - - INFO Teplota likvidu [ o C] WPS Tvrdost HB 1515 130 Poznámka : Pro lití IC 0929233,34,35,36 platí: Cr=max.0,25, Ni=max.0,40 Cu=max.0,30, Mo= max.0,15, V= max.0,03 (Cr+Ni+Mo+Cu+V)=max.0,75 2

3. Charakteristika trhlin: Trhlina je křivolaká porucha souvislosti, která vzniká za tepla. Povrch trhliny je zbarven šedomodře, někdy má houbovitý povlak oxidů a občas je na ni i patrná dendritická struktura. Trhlina probíhá po hranicích primárních zrn, které mají nižší pevnost, než zrna vlastní. Trhlina je kolmá ke směru tahového napětí, které ji vyvolalo viz obr 3.1.. Když se bude stále zvyšovat tahové namáhání, bude se trhlina dále zvětšovat. Tento děj pokračuje do okamžiku, kdy poklesne houževnatost matriálu. Trhlina na vrcholech končí ostřím, které se chová jako vrub. To znamená, že se daný materiál bude chovat jako neplastický a výsledkem toho je další snadné šíření trhliny a to i při nízkém nárůstu napětí. Do své konečné podoby roste trhlina postupně. Trhliny narušují nosný profil a na povrchu tvoří vruby. Z těchto důvodů jsou trhliny v odlitku nepřípustné. V porovnání s bublinami jsou trhliny nebezpečnější. Rozsah oprav trhlin vzniklých je závislý na požadavku odběratele odlitků. Kritériem pro posuzování rozsahu trhlin je nejčastěji součtová délka trhlin. Závislost současného vlivu obsahu uhlíku a síry je zobrazena na obr. 3.2.a.. Jestliže má litá ocel vyšší obsah síry ( 0,03% a více ), tak s narůstajícím obsahem manganu se tendence vzniku trhlin potlačuje. Mangan nemá ovšem vliv na tvorbu trhlin a jejich potlačení tehdy, když obsah síry je menší nebo roven 0,006%. Nepříznivě také působí fosfor, ale jeho vliv je menší než u síry. Obvyklé obsahy dalších prvků ( Mn do 2 %, Si do 1%, Ni do 2% ) jsou v podstatě bez vlivu na tvorbu trhlin. Nepříznivě se projevuje i obsah Al, pokud se tvoří vměstky II. typu. Poměrně nebezpečným je vysoký obsah Al a současně N. To vede k tvorbě sloučeniny AlN. Tato sloučenina se zejména při pozvolném chladnutí usazuje na hranicích primárních zrn a způsobuje oslabení spojení zrn. V těchto případech je naprosto nutné snížit obsah Al pod 0,5 kg.t -1. Snížení obsahu Al se běžně provádí slitinou MnSiCa. Vysoký obsah Ni vede ke zvýšení četnosti trhlin z důvodu vniku velkého primárního zrna. Zde se osvědčilo zpracování oceli předslitinou NiMg, samozřejmě za pozorného a důkladného odsíření a odfosfoření. Oceli, nebo-li slitiny tuhého roztoku, se začínají trhat mezi teplotami likvidu a solidu a končí pod solidem tehdy, kdy nabyly potřebné plasticity viz obr.3.2.b.. Lité materiály mají nestejný sklon a citlivost k trhání. Sklon oceli k trhání závisí na růstu pevnosti a hlavně na tažnosti právě se tvořící tuhé 3

fáze s časem. To znamená, že i při klesající teplotě. Trhání obecně lépe odolávají měkké oceli, a to z hlediska jejich vysoké hodnoty teplotního součinitele, délkové roztažnosti α poblíž solidu by se zdál pravděpodobnější opak. Je to způsobeno jejím časným růstem pevnosti a tažnosti, který vítězí nad vlivem ostatních vlastností. Toto je zjištěno především citlivou defektoskopií ( polévací metody inkar ). Obr3.1. průběh trhlin v souvislosti se směrem tahového napětí a),b), malé primární zrno c), necelistvost A, B, C na styku sloupkovitých pasem nejsou trhliny d), e) [1] Obr.3.2. a) vliv obsahu síry a uhlíku na sklon k trhání, b) efektivní interval trhání slitin typu tuhého roztoku [1] a) b) 4

4. Popis a definice polévací metody Inkar: Inkar ( zkratka je odvozena z jména Ing. Karásek ) je používán k detekci trhlin na povrchu nebo těsně pod povrchem součástek z feromagnetických materiálů. A to magnetickou polévací nebo práškovou metodou. Při zkoušce (detekci) vycházíme z námi známého poznatku, že dochází k vychýlení magnetické siločáry v bodech s vyšším magnetickým odporem, než má sám výchozí materiál. Při průchodu silného stejnosměrného elektrického proudu zkoušeným předmětem se v místech trhlin vytvoří porucha magnetického pole. Porucha je vyvolána trhlinami na povrchu materiálu nebo těsně pod ním. Ty způsobují zvýšení magnetického odporu a tím znemožňují průchod magnetických siločar. To má za následek, že magnetické siločáry obcházejí toto místo a přecházejí i nad povrchem součástky. Pokud polijeme takto zmagnetizovanou součástku detekční tekutinou, která se obvykle skládá z řídkého oleje a jemného feromagnetického prášku, přichytává se prášek v místech zvýšeného magnetického odporu, ulehčuje průchod magnetických siločar a vytváří tak obrys trhliny. 5

5. Úvod do praktické části zprávy: Jak je uvedeno v úvodu této zprávy, data jsou zpracována v rozsahu 71 taveb a 151 odlitků. Tyto data obsahují jak odlitky, které nesou určitou četnost trhlin, tak i odlitky, které jsou naprosto bez trhlin. Dále je tento soubor dat rozdělen podle modelového zařízení 390393III a 390393IV. Po rozdělení souboru dle modelového zařízení je soubor dat dále dělen podle četnosti trhlin. A to za a) vše, jak odlitky s trhlinami tak i bez trhlin a za b) odlitky pouze s trhlinami. Výsledkem jsou čtyři soubory dat, které můžeme analyzovat. V tabulce Tab.1.1. jsou přehledně znázorněny všechny soubory. Označení ( - ) znamená, že daný graf, nebo tabulka je zhotovena ze souboru dat, které neobsahují odlitky bez trhlin. 6

Tab. 1.1. Přehled výsledků analýz. X průměrná hodnota, Sx směrodatná odchylka, Cx variační koeficient, k koeficient korelace. hm.%c hm.%mn hm.%si hm.%p hm.%s hm.%cr hm.%ni hm.%cu hm.%al Průměrné hodnoty, směrodatné odchylky, variační a korelační koeficienty pro model. Zař. III X 9 0,18973 0,729459 0,460811 0,018824 0,017878378 0,168243 0,102703 0,166351 0,059932 r 1-0,00921 0,046739-0,19308-0,31539 0,11496959 0,156348 0,19678-0,04185-0,04115 Sx 12,33084 0,014885 0,099647 0,057978 0,003002 0,002289534 0,029241 0,03721 0,022635 0,011099 Cx 152,0497 0,000219 0,009797 0,003317 8,89E-06 5,17207E-06 0,000844 0,001366 0,000506 0,000122 Průměrné hodnoty, směrodatné odchylky, variační a korelační koeficienty pro model. Zař. IV X 11,34615 0,181282 0,707308 0,433077 0,0175 0,016217949 0,166795 0,093333 0,150385 0,056987 r 1-0,17675 0,220516-0,01024-0,17517 0,011076195 0,09644 0,008902-0,00021 0,086918 Sx 12,0722 0,011535 0,09801 0,065468 0,00277 0,002795147 0,035268 0,032521 0,024082 0,013828 Cx 145,7381 0,000133 0,009606 0,004286 7,68E-06 7,81285E-06 0,001244 0,001058 0,00058 0,000191 Průměrné hodnoty, směrodatné odchylky, variační a korelační koeficienty pro model. Zař. III - ( - ) x 23,58621 0,188966 0,743103 0,451724 0,017448 0,018137931 0,177931 0,115517 0,165517 0,059069 r 1 0,144288-0,22241-0,37575 0,14094 0,127549689-0,37165-0,21545-0,0638 0,069848 Sx 7,173947 0,013718 0,11377 0,052987 0,002733 0,002445464 0,032883 0,048151 0,022926 0,012389 5,980296E- Cx 51,46552 0,000188 0,012944 0,002808 7,47E-06 06 0,001081 0,002318 0,000526 0,000153 Průměrné hodnoty, směrodatné odchylky, variační a korelační koeficienty pro model. Zař. IV - ( - ) X 11,34615 0,188718 0,769231 0,456154 0,017974 0,017128205 0,180256 0,099231 0,158205 0,061128 r 1 0,134051-0,09743-0,02435-0,01725-0,00432277-0,12895-0,0746 0,057715 0,044281 Sx 5,477965 0,010558 0,094629 0,058427 0,00287 0,002735531 0,034905 0,03215 0,022346 0,013077 Cx 30,0081 0,000111 0,008955 0,003414 8,24E-06 7,48313E-06 0,001218 0,001034 0,000499 0,000171 V Tab. 1.1. jsou uvedené hodnoty korelace, pro hodnoty, které se blíží nule, nemá daný chemický prvek významný vliv na četnosti trhlin. Pokud je koeficient korelace kladný, daný prvek při vzrůstajícím obsahu nám četnost trhlin zvyšuje. Jestliže je korelační koeficient záporný, tak zvyšující se obsah daného prvku nám četnost trhlin snižuje. 7

5.1 Pro odlitek typu 390393 byla statisticky zjištěná data o vztazích mezi četností trhlin v odlitcích tohoto typu a chemickém složení. Jedná se o soubor pro model. Zař. IV a odlitky s i bez trhlin. Tab. 2.1. Přehled výsledků analýz pro model. Zař. III. X průměrná hodnota, Sx směrodatná odchylka, Cx variační koeficient, k koeficient korelace. hm.%c hm.%mn hm.%si hm.%p hm.%s hm.%cr hm.%ni hm.%cu hm.%al Průměrné hodnoty, směrodatné odchylky, variační a korelační koeficienty pro model. Zař. III X 9 0,18973 0,729459 0,460811 0,018824 0,017878378 0,168243 0,102703 0,166351 0,059932 r 1-0,00921 0,046739-0,19308-0,31539 0,11496959 0,156348 0,19678-0,04185-0,04115 Sx 12,33084 0,014885 0,099647 0,057978 0,003002 0,002289534 0,029241 0,03721 0,022635 0,011099 Cx 152,0497 0,000219 0,009797 0,003317 8,89E-06 5,17207E-06 0,000844 0,001366 0,000506 0,000122 Z vypočtených párových hodnot korelačních koeficientů, které byly počítány jako úměra k četnosti trhlin v povrchu odlitku plyne závěr, že s nejvyšší hodnotou tohoto korelačního koeficientu zde figuruje fosfor ( r = -0,31539 ). To znamená, že o něm můžeme smýšlet, jako o prvku, který nám výrazně ovlivňuje četnost trhlin v odlitku na hladině statické významnosti lepší než α = 0,05. To znamená z pravděpodobností větší než 95%. Četnost trhlin je přitom v prvém přiblížení dána vztahem (1): N trhlin = -1295.[ hm.%p ] + 33,63 ( r = - 0,314643 ) ( 1 ) Funkční závislost na obsahu fosforu zobrazena na obr.5.1.1. viz. příloha. Z průběhu grafu na obr.1 je zjevné, že fosfor má při zvyšování obsahu pozitivní vliv na četnost trhlin. To znamená, že při vyšším obsahu fosforu klesá počet trhlin. Tento závěr je velice pozoruhodný, protože obecně fosfor působí na četnost trhlin velice negativně. Statisticky zjištěný výsledek je nutno brát s určitým nadhledem a k jeho vysvětlení je nutno posoudit i vliv dalších faktorů a to zejména metalurgických a slévárenských. 8

5.2 Pro odlitek typu 390393 byla statisticky zjištěná data o vztazích mezi četností trhlin v odlitcích tohoto typu a chemickém složení. Jedná se o soubor pro model. Zař. IV a odlitky s i bez trhlin. Tab. 3.1. Přehled výsledků analýz pro model. Zař. IV. X průměrná hodnota, Sx směrodatná odchylka, Cx variační koeficient, k koeficient korelace. hm.%c hm.%mn hm.%si hm.%p hm.%s hm.%cr hm.%ni hm.%cu hm.%al Průměrné hodnoty, směrodatné odchylky, variační a korelační koeficienty pro model. Zař. IV X 11,34615 0,181282 0,707308 0,433077 0,0175 0,016217949 0,166795 0,093333 0,150385 0,056987 r 1-0,17675 0,220516-0,01024-0,17517 0,011076195 0,09644 0,008902-0,00021 0,086918 Sx 12,0722 0,011535 0,09801 0,065468 0,00277 0,002795147 0,035268 0,032521 0,024082 0,013828 Cx 145,7381 0,000133 0,009606 0,004286 7,68E-06 7,81285E-06 0,001244 0,001058 0,00058 0,000191 Zde je opět vidět, na kterých prvcích je především počet trhlin v odlitcích závislý. Jedná se o mangan, fosfor a uhlík. I zde lze dospět k závěru, že uhlík a fosfor mají při jejich zvyšujících se koncentracích pozitivní vliv na četnost trhlin, avšak mangan právě naopak. Koeficienty korelace jsou C r = -0,17675, α = 0,05-95% Mn r = 0,220516, α = 0,02-98% P r = 0,17517, α = 0,05-95% Počet trhlin podle prvého přiblížení roste v závislosti na manganu ( Mn ) a to dle vztahu ( 2 ). Přičemž počet trhlin klesá za zvyšujícího se obsahu uhlíku a fosforu a to dle vztahu ( 3 ) a ( 4 ). N trhlin = -763,3.[mh.%P] + 26,03 ( r = -0,173205 ) ( 2 ) N trhlin = 27,16.[mh.%Mn] - 8,290 ( r = 0,219089 ) ( 3 ) 9

N trhlin = -184,9.[mh.%C] + 47,30 ( r = -0,176068 ) ( 4 ) Grafy, které znázorňují tuto závislost jsou uvedené v příloze a jsou označeny obr. 5.2.1., obr.5.2.2., obr.5.2.3. 5.3 Pro odlitek typu 390393 byla statisticky zjištěná data o vztazích mezi četností trhlin v odlitcích tohoto typu a chemickém složení. Jedná se o soubor pro model. Zař. III a odlitky pouze s trhlinami. Tab. 4.1. Přehled výsledků analýz pro model. Zař. IV. X průměrná hodnota, Sx směrodatná odchylka, Cx variační koeficient, k koeficient korelace. hm.%c hm.%mn hm.%si hm.%p hm.%s hm.%cr hm.%ni hm.%cu hm.%al Průměrné hodnoty, směrodatné odchylky, variační a korelační koeficienty pro model. Zař. III - ( - ) x 23,58621 0,188966 0,743103 0,451724 0,017448 0,018137931 0,177931 0,115517 0,165517 0,059069 r 1 0,144288-0,22241-0,37575 0,14094 0,127549689-0,37165-0,21545-0,0638 0,069848 Sx 7,173947 0,013718 0,11377 0,052987 0,002733 0,002445464 0,032883 0,048151 0,022926 0,012389 Cx 51,46552 0,000188 0,012944 0,002808 7,47E-06 5,980296E-06 0,001081 0,002318 0,000526 0,000153 Z výsledných hodnot korelace je vidět, že nejvíce četnost trhlin ovlivňuje chrom ( r = - 0,37165 ) a křemík ( r = -0,37575 ) a mají v tomto případě za následek snížení počtu trhlin. Analytické vyjádření vlivu chromu a křemíku na četnost trhlin podle rovnice přímky popisuje vztah ( 5 ), ( 6 ): N trhlin = -81,08.[mh.%Cr] 38,01 ( r = -0,37165 ) ( 5 ) N trhlin = -50,87.[mh.%Si] + 46,56 ( r = -37575 ) ( 6 ) Příslušné zavislosti jsou uvedeny na grafech obr.5.3.1. a obr. 5.3.2. 10

5.4 Pro odlitek typu 390393 byla statisticky zjištěná data o vztazích mezi četností trhlin v odlitcích tohoto typu a chemickém složení. Jedná se o soubor pro model. Zař. IV a odlitky pouze s trhlinami. Tab. 2.1. Přehled výsledků analýz pro model. Zař. III. X průměrná hodnota, Sx směrodatná odchylka, Cx variační koeficient, k koeficient korelace. hm.%c hm.%mn hm.%si hm.%p hm.%s hm.%cr hm.%ni hm.%cu hm.%al Průměrné hodnoty, směrodatné odchylky, variační a korelační koeficienty pro model. Zař. IV - ( - ) X 11,34615 0,188718 0,769231 0,456154 0,017974 0,017128205 0,180256 0,099231 0,158205 0,061128 r 1 0,134051-0,09743-0,02435-0,01725-0,00432277-0,12895-0,0746 0,057715 0,044281 Sx 5,477965 0,010558 0,094629 0,058427 0,00287 0,002735531 0,034905 0,03215 0,022346 0,013077 Cx 30,0081 0,000111 0,008955 0,003414 8,24E-06 7,48313E-06 0,001218 0,001034 0,000499 0,000171 Z výsledných hodnot korelace je vidět, že nejvíce četnost trhlin ovlivňuje uhlík ( r = 0134051 ) a chrom ( r = -0,12895 ). Uhlík četnost trhlin s narůstajícím svým obsahem zvyšuje, kdežto chrom se zde chová naprosto opačně. Analytické vyjádření vlivu chromu a křemíku na četnost trhlin podle rovnice přímky popisuje vztah ( 7 ), ( 8 ): N trhlin = 75,45.[mh.%C] + 9,327 ( r = 0,134051 ) ( 7 ) N trhlin = -81,08x.[mh.%Cr] + 38,01 ( r = -0,12895 ) ( 8 ) Příslušné zavislosti jsou uvedeny na grafech viz příloha obr.5.4.1. a obr. 5.4.2. 11

6 Závěr: Výsledky analýzy bychom měli brát s určitým nadhledem, protože u některých souborů dat jsou funkční závislosti v rozporu s teoretickými znalostmi. Jedná se například v kapitole 3.1. o hmotnostní podíl fosforu ( P ). Vyhodnocení této funkční závislosti nám říká, že při vzrůstajícím obsahu fosforu v odlitku se počet trhlin snižuje. Toto je paradoxní situace, protože obecně je fosfor škodlivým prvkem a měl by být obsažen v tavbě minimálně. V kapitole 5.2. máme uveden opačný jev, a to u hmotnostním podílu manganu ( Mn ). Mangan je obecně prospěšným prvkem, který zabraňuje vzniku a tím i tvorbě trhlin. Z výsledku analýzy v této kapitole ovšem vyplývá, že při vzrůstajícím podílu manganu ( Mn ) zároveň roste četnost trhlin. Tyto pozoruhodné a svým způsobem paradoxní výsledky vedou k několika otázkám, avšak pokud na ně budeme chtít adekvátně a do značné míry spolehlivě odpovědět, musíme zohlednit další faktory. Především se budeme zabývat hledisky metalurgickými a slévárenskými. Nejdříve bychom měli ověřit metalurgické parametry na četnosti trhlin tzn.: na množství svařeného uhlíku, době oxidace, rychlosti varu, průběhu odfosfoření, celkové době redukčního údobí, průběhu odsíření, atd. Déle bychom se měli pokusit korelovat četnost trhlin na odlitku se slévárenskými parametry. To je na příklad: teplota lití, doba odlévání a atd. Nesmíme však zapomenout na striktní dodržování zvolené technologie. Nedodržení jasně definovaných technologických postupu může mít fatální následky. Toto může být další zajímavá proměnná v další analýze. K nedodržení kázně může dojít na řadě míst, např: způsob lití, chladnutí, TZ. Tepelné zpracování na výskyt trhlin či prasklin má spoluurčující vliv a může být u jednotlivých odlitků rozdílný. Stejně tak je potřeba se zaměřit na zvolenou konstrukci odlitku, zde bude ovšem náprava obtížnější, protože odlitek plní určitý úkol a s jeho rozměry se bude již těžko manipulovat. Měli bychom se zabývat do čeho je formováno, jak a jakou konstrukci má forma, jádra, jakou má formovací směs teplotní degradaci v kritické intervalu vzniku trhlin a atd.. 12

Podle výsledků analýzy můžeme dojít k závěru, že se nejedná o trhliny, které vznikají za vysoký teplot, blížících se solidu, ale že jde o praskliny, které se tvoří za nízkých teplot. Praskliny vznikají v důsledku vnitřní napjatosti v odlitku. 13

7 Použitá literatura: [1] Prof.Dr.Ing. Josef Přibyl, DrSc.: Řízené tuhnutí ocelových odlitků, Praha, SNTL, 1986 [2] Ing Petr Levíček, CSc, Ing Karel Stránský, DrSc: metalurgické vady ocelových odlitků, Praha, SNTL, 1984 [3] Ing. Tomáš Elbel, CSc.: vady odlitků ze slitin železa, Brno, MATECS, 1992 [4] Interní materiály firmy ČKD Kutná Hora a.s. 14

8 Příloha: Obr.5.1.1. Obr.5.2.1. 15

Obr.5.2.2. Obr.5.2.3. 16

Obr.5.3.1. Obr.5.3.2. 17

Obr.5.1. Obr.5.2. 18