Czech Society for Nondestructive Testing NDE for Safety / DEFEKTOSKOPIE 2011 November 9-11, 2011 - Harmony Club Hotel, Ostrava - Czech Republic SROVNÁVACÍ NEDESTRUKTIVNÍ TESTY MATERIÁLU AUTODÍLŮ COMPARATIVE NON-DESTRUCTIVE TESTS OF AUTOMOTIVE MATERIALS Břetislav Skrbek, Vladimír Nosek Technická univerzita v Liberci, bretislav.skrbek@tul.cz Abstrakt Srovnávací testy užitných vlastností důležitých ocelových a litinových dílů pohybového ústrojí automobilů. Využití tradičních a nových metod nedestruktivní strukturoskopie. Magnetoinduktivní, ultrazvukové metody, metoda magnetické skvrny. Příklad experiment; litinové spojkové a brzdové kotouče. Porovnání odolnosti vůči teplotní únavě. Měření modulu pružnosti, pevnosti, tvrdosti. Výsledky z brzdových kotoučů deseti značek osobních automobilů vyráběných v Japonsku a Evropě. Rozbor, porovnání, poznatky. Klíčová slova Nedestruktivní testování, tepelná únava, brzdové kotouče, litiny. Abstract Comparative non-destructive tests of useful properties of important steel and cast iron automotive motion system parts. Usage of conventional and new methods of non-destructive structuroscopy. Magnetoinductive, ultrasonic and magnetic spot methods. Example experiment; cast iron clutch and brake disks. Comparison of resistance against thermal fatigue. Measurement of elasticity modulus, strength, hardness. Results of brake disks of ten marks of personal cars produced in Japan and Europe. Analysis, comparison, piece of knowledge. Key words Non-destructive testing, thermal fatigue, brake disks, cast iron 1. Úvod Shodu materiálové jakosti technické dokumentace (odběratele odlitků) s odlitkem (vyrobeným slévárnou) obvykle deklarují mechanické vlastnosti naměřené na zkušební tyči předkládané atestem. Uživatele odlitků zajímají hodnoty mechanických vlastností v konkrétních partiích (stěnách) odlitku, zejména pro pevnostní výpočty a návrhy nových výrobků. Ty se od hodnot atestu mohou významně odlišovat. Na pomoc přichází nedestruktivní strukturoskopie. Umožňuje porovnávat konstrukční výsledky funkčně identických dílů různých týmů [1-4]. Námětem tohoto článku se staly brzdové kotouče z litiny s lupínkovým grafitem (LLG). Pro výborné třecí vlastnosti, láci a vysokou odolnost vůči teplotní únavě je tato litina stále používaná [5]. 2.Akustické vlastnosti litin Akustické vlastnosti materiálu popisují rychlosti šíření pružného příčného nebo podélného kmitání atomů (molekul) kolem rovnovážné polohy a jeho útlum. Rychlost šíření akustické vlny c zvuku je funkcí modulu pružnosti E, měrné hmotnosti ρ, Poissonova čísla µ. Pro podélnou rychlost zvuku platí [1] c L = {(E/ρ) (1 - µ)/[(1+µ) (1 2 µ)]} 0.5 [m/s] (1) Čím více útvary grafitu matrici oslabují (čím jsou štíhlejší a delší), tím větší je hodnota akustické dráhy Lu ve srovnání s přímou dráhou (tloušťkou prozvučované stěny) L. Rychlost zvuku c L tak klesá. DEFEKTOSKOPIE 2011 163
c L = c L0 L/Lu = 5920 L/Lu [m/s] (2) C LO...rychlost zvuku ocelové matrice litiny. Úpravou (1) lze získat zjednodušený výraz E = (K L/Lu) 2 [MPa] (3) Hodnotu K lze vypočítat z výsledků akustických měření na štíhlých tyčích. 3. Teplotní odolnost Mechanická pnutí vytvořená při nerovnoměrném ochlazování (nebo bržděných tepelných dilatacích) a ohřevu různých partií jedné součásti, mohou vést k trvalým deformacím za dané teploty a pak k tepelné únavě. Odolnost vůči tomuto namáhání charakterizuje Eichelbergův faktor EF. EF = R m λ/(α E) [W/m] (4) λ tepelná vodivost α...koeficient délkové roztažnosti E modul pružnosti Čím vyšší hodnota EF, tím odolnější materiál vůči tepelné únavě (kokily, hlavy válců, výfuková potrubí, skříně turbodmychadel brzdové a spojkové kotouče). U brzdových a spojkových kotoučů se vyžaduje i odolnost vůči kontaktnímu opotřebení, pevnost. 4. Experiment Katedry strojírenské technologie a materiálu Technické univerzity v Liberci byly požádány o materiálový, případně technologický průzkum brzdových kotoučů osobních automobilů v provedení plném i větraném. Celkově bylo na programu posouzení 16 kotoučů. Z tohoto počtu se podařilo v opravnách ve vozech proměřit 10 variant. Měření 1 až 8 přísluší straně A ve směru hodinových ručiček. Strana A třecí plochy kotouče je při vysazené vnitřní přírubě. Místa 9 až 16 přísluší straně B proti směru hodinových ručiček. Proti sobě tedy leží místa 1A-9B, 2A- 10B... Místa 17 a 18 přísluší vnitřní přírubě. 17 úhlově souhlasí s 1(9) a 18 s 5 (13). Seznam proměřených kotoučů uvádí Tab.1 Číslo vzorku Typ vozu Číslo dílu 1. Citroen 96404033; A280101 2. Mercedes A 22O 421 08 12 3. Suzuki 55211-65D11 4. Toyota 43512-05030 5. Mazda GA4Y-33-25XJ 6. Hyundai 51712-38100 7. Peugeot 4246.R7 8. O Fa 14 9. O 15,5 10. Fe 13 Provedeny byly některé plánované práce, a to: a) rozbor nedestruktivními metodami b) proměření tvrdosti c) fotodokumentace d) studijní práce 164 DEFEKTOSKOPIE 2011
Tvrdost kotoučů byla měřena metodou Brinell, a to kuličkou 5 mm se zatížením 750 kg proto, že tloušťka větraných kotoučů byla poměrně malá a při měření kuličkou 10 mm se zatížením 3000 kg by mohlo docházet ke zkreslování či chybám měření průhybem v místě měření. Pevnostní a elastické vlastnosti materiálu kotoučů byly zjišťovány a) ultrazvukem a následným výpočtem b) přímým měřením tvrdosti c) měřením hodnot metodou magnetické skvrny [1]. Měřících míst bylo u každého kotouče pokud to konstrukce kotouče dovolila celkem 18, a to 8 míst na jedné straně (A), 8 míst na druhé straně (B) brzdících ploch a 2 místa na připevňovací přírubě. 1) Stanovení hodnot počátečního modulu pružnosti v tahu Eo Hodnoty Eo se vypočítávají ze vzorce Eo = (437,8 v r ) 2 [MPa] (5) přičemž ke stanovení relativní rychlosti šíření ultrazvuku v r = L/Lu je třeba naměřit jednak tloušťku materiálu posuvným měřítkem v měřeném místě L a dobu návratu vyslaného signálu po odrazu vyjádřenou hodnotou tloušťky Lu měření se uskutečnilo přístrojem T-SCOPE DL, dvojitou sondou 5 MHz. 2) Stanovení hodnot pevnosti litiny v tahu R m (Mpa): Hodnota R m se vypočítává ze vzorce R m = f (L/Lu. HB). Rm = 1,37 7,211 L Lu 2,278 HB 0,75 72,5 [ MPa] ( 22) 3) Stanovení charakteru kovové matrice v měřených místech se uskutečňuje výpočtem na základě naměřené hodnoty remanentního magnetizmu M [A/m] měření se uskutečnilo přístrojem pro metodu bodového pólu DOMENA 2. K hodnotě M přispívá podíl P a disperze perlitu Pd v matrici, ale též ji ovlivňuje tloušťka stěny L. Díky experimentálně stanovenému matematickému modelu M=f(P,Pd,L) lze odhadovat strukturní stav %P, Pd matrice kotoučů. Naměřené hodnoty hodnocených 10 druhů koučů jsou statisticky zpracovány do reprezentativních hodnot tabulky 3. Tabulka 2. Brzdový kotouč Citroen. BRAKE DISK Citroen. 7,45 134 247 1A 236 322 7,22 132,9 251 2 237 319 7,08 133,3 248 3 237 321 6,75 129,9 254 4 237 310 6,7 128,9 257 5 237 307 6,8 131,2 256 6 238 315 7,5 140,2 253 7 237 346 7,47 131,3 250 8 237 315 6,55 126 260 1B - 9 237 297 6,7 132,1 269 10 237 317 6,85 130,2 267 11 237 311 7,15 131,6 264 12 237 315 DEFEKTOSKOPIE 2011 165
7,2 131,9 263 13 237 315 7,19 126,7 274 14 238 297 6,6 126,3 265 15 237 298 6,56 127,6 268 16 237 303 6,21 127,3 267 P1-17 231 295 6,13 124,4 264 P5-18 232 286 L mm Eo Gpa M A/m místo HB5-750 Rm Mpa Tab3. Typ kotouče L (tloušťka) Eo Perlit HB 5/750 R m (mm) (Gpa) Podíl-disper (MPa) min. max. min. max. P % Pd µ min. max. min. max. 6,55 7,50 126,0 140,2 100 0,3/5 236 238 297 346 1 Citroen 2 Mercedes 7,70 8,82 111,0 121,5 100 0,3 224 226 231 271 3 Suzuki 6,90 7,37 113,4 121,1 100 0,3(5) 213 214 218 257 4 Toyota 7,44 8,30 119,6 129,7 100 0,5/1, 214 214 245 262 o 5 Mazda 7,44 8,23 117,0 121,9 100 <0,3 222 223 244 265 6 Hyundai 7,71 8,52 121,0 146,7 100 0.5/o. 212 215 256 345 3 7 Peugeot 7,36 8,46 128,3 139,5 100 0.3/o. 232 234 299 337 5 8 O-Fa 6,91 8,43 103,6 116,5 100 0.5 181 185 177 210 9 O 8,25 8,64 103,4 112,4 100 0.3/o. 187 194 180 207 5 10 Fa (nevětraný) 12,78 12,85 120,3 126,3 100 0.5/1 220 223 262 281 4.1. Diskuze výsledků -litina typu ČSN 42 2420 na spodní mezi: kotouče 8 a 9 -litina typu ČSN 42 2420 na horní mezi: kotouče 2,3,4,5 -litina typu ČSN 42 2425 na středu a horní mezi: kotouče 1,6,7,11 Rovnoměrností naměřených hodnot tvrdostí po obou stranách kotoučů a celé brzdné ploše vynikají kotouče 3 (Suzuki), 4 (Toyota) a 5 (Mazda) a prakticky i 6 (Hyundai), které dále vynikají též i nejmenšími rozdíly v tloušťkách obou brzdných ploch, což svědčí o vysokém stupni zvládnutí metalurgie i technologie. Pro zatřídění litiny kotoučů podle Eo (množství a tvaru grafitu) platí: 42 2410 15 20 25 30 Eo GPa 86 97 110 124 140 Platí pro stěny 15mm. Tenké stěny hodnoty Eo mají vyšší pro stejnou jakost. Nejvyšší tuhosti litiny tak dosahuje kotouč PEUGEOT (litina třicítka ). Naopak O ozn.8 nedosahuje ani jakosti 42 2420. 166 DEFEKTOSKOPIE 2011
Hodnota intenzity pole H zbytkového magnetizmu nad magnetickou skvrnou je vyjádřená číslem M, které měří přístroj DOMENA 2. Charakterizuje matrici litiny. Pro porovnání jednotlivých hodnot Mi doporučuji provést korekci M podle tloušťky stěny L na Ms. Ms = M/(81 L -2,91 +1) [A/m] (7) 5. Závěr Proměřované kotouče lze rozdělit materiálově do tří jakostních skupin (zejména podle stanoveného Eo), tvrdosti HB5/750 a částečně dle R m, která vyjadřuje pevnost v tahu v standartních podmínkách. Tab. 4. Kotouč 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Rm/E 2,41 2,16 2,16 2,02 2,13 2,26 2,37 1,76 1,8 2,2 Pro čistě tepelné namáhání se doporučuje co největší poměr Rm/Eo viz.tab.4. Z hlediska tohoto kriteria jsou nejlepší kotouče francouzských aut. Nejtvrdší matrice přísluší kotoučí CITROEN. Nejměkčí kotoučům O. Minimální rozptyly (2-3 HB) tvrdých kotoučů souvisí patrně s jejich legováním. Příspěvek byl vytvořen za podpory VZ MSM 4674788501 Literatura [1] ŘEZÁČ, Z.: Pevnost přepážek válců motoru z různých období. Diplomová práce TU v Liberci, 2007. [2] SKRBEK, B., NOSEK, V.: Materiál sedel ventilů In METAL 2005 14. mezinárodní konference metalurgie a materiálů, Ostrava : Tanger. s.r.o., 2005, Paper no.2, pp.1-5, ISBN 80-7849-972-5. [3] SKRBEK, B.: Slitiny železa na výfuková potrubí spalovacích motoru - trendy. In Metal2006 15. mezinárodní konference metalurgie a materiálů Sborník přednášek. Ostrava : Tanger s.r.o., 2006. Paper 114. pp.5, ISBN 80-86840-18-2. [4] SKRBEK, B.: NDT diagnostika strukturních změn austenitických ventilových ocelí In: Sborník semináře "Provozní degradace austenitických ventilových ocelí" Liberec : TU KMT, 2006, p. 58-62, ISBN 80-7372-113-9. [5] DOČEKAL, J., SKRBEK, B. NON-DESTRUCTIVE STRUCTUROSCOPY OF BRAKE AND CLUTCH DISKS. 15 World Wheelset Congress, Prague Congress Centre, September 23-27, 2007, CD. ISBN nemá. B1493 6 Tavba/p.č. 1 5 2 4 3 Obr.1. Brzdový kotouč. Fig.1. BRAKE DISK. DEFEKTOSKOPIE 2011 167
168 DEFEKTOSKOPIE 2011