10. Experimentální část

68 10. Experimentální část Výsledná jakost odlitku se skládá z mnoha činitelů. Jedním z nich je i dosažení požadovaných mechanických vlastností, které jsou určovány jak výslednou mikrostrukturou (tvar a rozložení grafitu v litinách), tak i podobou základní kovové hmoty (podílu feritu a perlitu). Všechny tyto faktory jsou podmíněné chemickým složením, které je, mimo jiné, určeno odvodem tepla a podmínkami při lití. Lepších, konkurenčně schopných, podmínek pro získání kvalitního odlitku lze dosáhnout i za pomocí simulačních programů, které jsou schopné určit jak vedení tepla v odlitcích a ve formě, tak i výslednou mikrostrukturu a ji odpovídající mechanické vlastnosti. V této části práce jsme analyzovali teplotní pole v odlitcích s ohledem na jejich strukturu, chemické složení a mechanické vlastnosti v jednotlivých průřezech. Převážná část experimentální práce, v podobě odlévání a měření teplotního pole, byla prováděna ve slévárně Motor JIKOV a.s., České Budějovice. V této slévárně bylo námi odlito těchto pět odlitků: Třmeny, Válec, Držák, Páka a Experimentální válce. Dále bylo použito dat z přilitých tyčí odlitých v této slévárně již dříve. Všechny odlitky jsou ze slitiny LKG ČSN 42 2305. Odlitek Motocyklového kola z hořčíkové slitiny byl odlit ve slévárně ČKD Hradec Králové - závod Plotiště a experimentální válec z Mg slitiny ve školní slévárně. Vyobrazení všech odlitků je v příloze k této kapitole - obr. 1 až 10. 10.1. Popis současného stavu slévárny Motor JIKOV ČB 1) Slévárna litiny s lupínkovým a kuličkovým grafitem Formovací zařízení bezrámová formovací linka DISAMATIC s vertikální dělící rovinou, velikost pískových forem 400 x 500 x 130 300 mm. Tavírnu tvoří 3 elektrické pece o obsahu 6t tekutého kovu. Odlévané materiály: ČSN 42 2420 (GG 20) ČSN 42 2425 (GG 25) ČSN 42 2430 (GG 30) ČSN 42 2304 (GGG 40) ČSN 42 2305 (GGG 50) ČSN 42 2306 (GGG 60) Optimální váha odlitků, které lze vyrobit v této slévárně je 0,5 až 10 kg. Maximální rozměr odlitku je limitován rozměry forem. Optimální licí dávka je 2 000 až 5 000 ks. Nosným výrobním programem jsou odlitky držáků a třmenů z litiny s kuličkovým grafitem, které jsou určeny pro výrobu kotoučových brzd do osobních automobilů. 2) Modelárna Vyrábějí se zde: - dřevěné modely - kovové modely - epoxidové modely 3) Kalírna Pro zajištění kvality se v laboratořích používají následující přístroje: - automatické měření tvrdosti BRINELL - kvantometr - delta C (stanovení uhlíku C, křemíku Si) V této slévárně je vybudován systém řízení kvality podle normy ISO 9001. Odběratelem odlitků je firma Lucas AB s.r.o. Jablonec nad Nisou, která dodává komplet brzdných systémů pro ŠKODA Volkswagen Mladá Boleslav. Mechanické požadavky na odlitky: a) materiál: litina s kuličkovým grafitem podle ČSN 42 2305 b) mechanické vlastnosti: musí odpovídat požadavkům ČSN 42 2305 (GGG 50) R m = min. 500 MPa R p0,2 = min. 320 MPa A 5 = min. 7 %

69 c) chemické složení materiálu: C = 3,30-3,90 % Si = 2,20-3,00 % Mn = 0,15-0,40 % Mg = 0,03-0,30 % Cu = 0,05-0,30 % P = max. 0,10 % d) mikrostruktura: základní kovová hmota feriticko-perlitická min. obsah kuličkového grafitu 80 % VI a max. 20 % tvaru V podle ČSN 42 0461 [97] e) tvrdost odlitků: v rozmezí HB 170-240 Bližší popis přejímacího postupu odlitků je v [98] 10.2 Měření teplotního pole na odlitcích třmene Měření teplotního pole bylo provedeno na dvou typech odlitků. A to odlitku třmenu (litina s kuličkovým grafitem) obr. 41 a odlitku válce (litina s kuličkovým grafitem) obr. 54. Bylo použito stejné slitiny ze stejné tavby pro porovnání vlastností. Na místě jsme provedli měření průběhu teplotního pole a to na obou typech odlitků dva odlitky třmenů a jeden odlitek válce. Chemické složení uvedené v tabulce 4 bylo provedeno v laboratořích Motor JIKOV. Pro její vyhodnocení bylo použito vzorků z třmenů. Tab. 4 Chemické složení vzorků třmenů Označ. Chemické složení v [%] C Si Mn P S Cu 1 3,51 2,64 0,24 0,013 0,013 0,21 2 3,53 2,61 0,25 0,014 0,011 0,22 3 3,5 2,63 0,27 0,014 0,012 0,22 4 3,52 2,69 0,26 0,014 0,013 0,21 5 3,53 2,63 0,29 0,014 0,014 0,2 6 3,55 2,64 0,29 0,013 0,013 0,23 7 3,51 2,61 0,23 0,013 0,013 0,22 Z tabulky 4 vidíme, že chemické složení odlitků je v mezích určených v požadavcích na výrobu. Ve slévárně bylo rovněž provedeno vyhodnocení základní kovové hmoty a mikrostruktury z odlitků třmenů. Za tím účelem byly odebrány vzorky z třmenů z míst dle obr. 42 Tab. 5 Mikrostruktura odlitků Ozn. Tvar grafitu Matrice % III V VI Perlit Ferit Vel. zrna 1 0 10 90 20 80 6 až 8 2 0 10 90 30 70 6 až 8 3 0 10 90 20 80 6 až 8 4 0 10 90 30 70 6 až 8 5 0 10 90 20 80 6 až 8 6 0 10 90 25 75 6 až 8 7 0 10 90 20 80 6 až 8 Z tab. 5 je vidět, že i požadavky na tvar grafitu (alespoň 80 % kuličkového grafitu typu VI) jsou splněné. Taktéž je splněna podmínka na větší podíl feritu v základní kovové hmotě.

70 Licí jamka Vtoková soustava 125 mm Třmen 200 mm Obr. 41 Odlitek třmene slévárenská sestava Tloušťka 15 mm Umístění termočlánku 120 mm Místa odběru vzorků pro určení mikrostruktury a chemického složení Φ 72 mm 160 mm Obr. 42 Místa odběru vzorků pro zkoušku chemického složení a vyhodnocení základní kovové hmoty

71 10.3 Podmínky lití pro třmeny Měření teplotního pole na třmenech bylo provedeno na výrobní lince - Disamatik za plného provozu, a to na dvou odlitcích jdoucích za sebou. Stejná výrobní technologie, stejná bentonitová směs, stejná tavba. Teplota lití 1400 0 C, odečteno z optického pyrometru. Formy č. 20 a 22. Lití strojní z pánve. Odlitky ponechány ve formě na lince až do času obvyklého vytloukání. Poté byly vyjmuty z linky. Čas snímání byl ukončen při 2 000 s, což odpovídá 34 min. Odlitek byl následně vyjmut (do 5 min) z formy. Standardní čas doby průchodů odlitků na lince se pohybuje v závislostí na době plnění od 35 do 45 minut. Použité termočlánky: Pt-PtRh10, průměr drátku Φ 0,5 mm, průměr ochranného obalu Φ 2,8 mm. Materiál ochrany korund. Špička termočlánku byla z jemně rozemletého korundového prášku spolu s vodním sklem a vytvrzené pomocí CO 2 a posléze vyžíháno. Měřící aparatura: Signál z měřících termočlánků byl veden do vyhodnocovací jednotky v notebooku TAQ book 100 přes AD převodník. Vyhodnocovací pomocí software TAQ View od firmy Omega. Umístění termočlánků Poloha termočlánků v odlitcích třmenů byly volena jak s ohledem na popis teplotního pole v odlitku, tak i s ohledem na dostupnost místa při měření. Termočlánek č. 1 byl na odlitku třmene 1 a termočlánek č. 2 na odlitku třmene č. 2. Oba odlitky byly ve slévárenských sestavách jdoucích na lince DISAMATIC za sebou. Toto uspořádání respektovalo skutečnost, že nebylo možné z technických důvodů umístnit oba termočlánky do jedné odlévané soustavy. Na obr. 42 vidíte polohu termočlánku v odlitku č. 2. Poloha termočlánku č. 1 byla zrcadlově obrácena v druhé polovině odlévané sestavy. Hloubka umístění termočlánku v odlitku byla v 1/2 tloušťky stěny (cca 4 mm hluboko). Měřené odlitky ve slévárně ČKD Motor JIKOV České Budějovice, spolu s dalšími odlitky třmenů a válce byly dále proměřovány v laboratořích ÚMI - odboru slévárenství. 10.4. Vyhodnocení teplotního pole třmene Vyhodnocení křivek chladnutí bylo provedeno jak pro odlitky třmenů, tak pro měření odlitku válce v kokile. Nejprve byla provedena analýza naměřených dat pomocí softwarového balíku Mathcad 7, jejímž účelem bylo zjištění důležitých teplot a časů, které jim přísluší. Obecná podoba křivky chladnutí pro litinu s kuličkovým grafitem je v kapitole 5. V příloze ke kapitole 10 jsou vyhodnoceny křivky chladnutí. Hodnoty teplot a jim příslušejícím časům jsou uvedeny v tabulce 6. Porovnání křivek chladnutí pro třmeny a válce je v tabulce 10. Tab. 6 Vyhodnocení křivek na odlitku válce a třmenů Odlitek Třmen Třmen Termočlánek č. T 1 [ 0 C] T 2 [ 0 C] TL 1238 1072 Čas TL 4 8 TEN 1165 1040 Čas TEN 12,5 15 TEU 1137 1028 Čas TEU 44 40 TER 1144 1047 Čas TER 58 68 TEE 1080 1014 Čas TEE 155 126 Vysvětlivky k tabulce 6: TL Teplota likvidu [ 0 C] Čas TL - Čas teploty likvidu [s] TEN - Teplota eutektické nukleace [ 0 C] Čas TEN - Čas teploty eutektické nukleace [s] TEU - Teplota podchlazení [ 0 C] Čas TEU - Čas dosažení teploty podchlazení [s] TER - Teplota rekalescence [ 0 C] Čas TER - Čas dosažení teploty rekalescence [s] TEE - Teplota konce eutektické krystalizace [ 0 C] Čas TEE - Čas dosažení konce eutektické krystalizace [s]

72 V grafu 1 v příloze vidíte původní křivky chladnutí třmenů, včetně časové prodlevy mezi litím jedné slévárenské sestavy a druhé, což bylo 20 s. Při pohledu na křivky chladnutí je jasné, že teplotní pole odměřené termočlánkem č. 2 není správné. Při následné analýze umístění konce termočlánku v prvním a v druhém odlitku, pomocí rentgenové defektoskopie, jsme zjistil, že ve stěně o tloušťce 8 mm, byl první termočlánek ve středu stěny, zatímco ukončení druhého bylo těsně u konce stěny. V důsledku toho je měření z druhého termočlánku zatíženo chybou. Pro lepší představu jsou v grafu 2 v příloze, zobrazeny obě křivky chladnutí s počátkem ve stejný čas. Na grafu 3 je srovnání křivek chladnutí z počátku děje a eutektické prodlevy. Je vidět, že rozdíl v teplotě je až 120 0 C. V grafu 4 je zobrazen detail eutektické fázové přeměny, zde spíše sloužící k určení rozptylu měření (cca 4 0 C). Je jasné, že bylo nutné přikročit korekci naměřených hodnot za použití postupu, jak je vysvětleno v kapitole 12. Výsledek úpravy vstupních hodnot vidíte na grafu 5 a 6, kde rozdíl hodnot při fázové přeměně, mezi křivkami chladnutí, je jen 7 0 C. Na grafu 7 je porovnání průběhu přes čas eutektoidní přeměny. Na odlitku třmene ze slévárny MOTOR JIKOV České Budějovice z litiny s kuličkovým grafitem dle ČSN 42 2305 (GGG 50) byla provedena simulace teplotního pole jakožto předstupeň pro počítačovou simulaci mikrostruktury. Modelování a simulace byla provedena na CAD pracovišti odboru slévárenství, za použití programu SIMTEC. Pro dosažení co nejvěrohodnějšího výsledku simulace mikrostruktury je zapotřebí nejprve dosáhnout shody mezi teplotním polem zjištěném experimentálně a simulací. Proto byla experimentálně zjištěna časová závislost teplotního pole na dvou místech odlitků třmene a na pěti místech odlitku válce. Simulovaný průběh tuhnutí se má co nejvíce blížit experimentálně zjištěnému průběhu tuhnutí. V grafu 8 v příloze je porovnání křivek chladnutí třmene a průběhu ze stejného místa získaného z počítačové simulace. Rozdíly hodnot mezi simulaci a experimentem jsou v tab. 7. Tab. 7 Rozdíly teplot mezi simulaci a experimentem Odlitek Čas [s] 50 100 200 300 400 500 Třmen Experiment [ 0 C] 1130 1140 1030 945 850 820 Simulace [ 0 C] 1185 1165 1125 950 885 850 Rozdíl [ 0 C] 55 25 95 5 35 30 Výsledkem simulace jsou nejen křivky chladnutí, ale i pohledy na rozložení teploty. V příloze na obr. 11 a 12 je teplotní pole třmene v čase 10 s, na obr. 13 je teplotní pole v čase 250 s a to pro celý odlitek. Na odlitku třmene bylo několik oblastí, kde probíhaly experimentální práce. První oblasti je čelo třmene obr. 43, kde vidíte řez odlitkem pro oddělení vzorku. Takto vzniklé kusy byly obrobeny na pracovišti odboru slévárenství a to obě jejich strany zarovnány a broušeny na rovnoběžnost. Na těchto vzorcích byla určována absolutní rychlost ultrazvuku, tvrdost a struktura matrice. Pohled na rozložení teplotního pole na čele třmene v čase 30 s po odlití je na obrázku 18 v příloze, a na obr. 19 v čase 250 s. Místy na kterých probíhalo experimentální měření byla rovněž místa na třmenu, které budeme označovat jako ramena obr. 44 a 45. Na každém odlitku třmene bylo po dvou kusech - pravé a levé rameno. Teplotní pole pro obě strany je mírně rozdílné, což je zapříčiněno umístěním odlitku třmene ve slévárenské sestavě obr. 43. Analyzovali jsem pochopitelně i rozdílnost teplotního pole v pravé a v levé části odlitku, avšak tento rozdíl byl zanedbatelný (pohyboval se ve stupních celsia). V důsledku toho nebylo nutné rozdělovat vzorky na jednotlivé skupiny, lišící se místem odběru, zda z pravé, či z levé strany. Na obrázku 14 v příloze je teplotní pole v řezu třmenem - rameny, s vyznačeném míst měření. Na obrázku 15 je teplotní pole v kolmém řezu přes ramena třmene.

73 Levý odlitek Pravý odlitek Řez odlitkem - čelo Pravé rameno Levé rameno Obr. 43 Slévárenská sestava třmene s vyznačením míst měření Ramena 3 2 Obr.44 Vyznačení míst odběru vzorků ramen Obr. 45 Místa měření na odlitku třmene (obrácena poloha vůči obrázku 44) 1 Čelo třmene

74 10.5. Měření tvrdosti na odlitku třmene Měření bylo provedeno na tvrdoměru MP 250 s nastavenými parametry: Zatížení 187,5 kp Průměr vnikací kuličky 2,5 mm Čas zatížení 10 s Veškerá měření byla prováděna v laboratořích odboru slévárenství. Před jejím a započetím a třikrát v jeho průběhu byla přesnost tvrdoměru kontrolována pomocí vtisku do etalonu. Vždy se prokázala jeho schopnost k správnému měření. Laboratorní zařízení je na obr. 46. Obr. 46 Laboratorní tvrdoměr Obr. 47 Místa měření na odlitku třmene Místa měření: Na odlitku třmene byla tvrdost dle HB měřena na stejných místech jak absolutní rychlost ultrazvuku a parametry struktury. První části bylo místo ČELO třmene - obr. 48 a 49. Zde bylo měření na 8-mi, respektive, část vzorků, na 12-ti místech. 8 7 1 2 3 4 Oddělení vzorku od zbylé části třmene probíhalo mechanickou strojní pilou v dílnách odboru slévárenství. Povrch vzorků byl upraven broušením na strojní brusce a to oboustranně, při zachování rovnoběžnosti obou ploch. 6 5 Obr. 48 Umístění 8-mi měřících míst

75 1 12 11 2 10 3 9 4 8 5 7 6 Obr. 49 Poloha12-ti měřených míst na odlitku třmenů Vyhodnocení měření tvrdosti Na vzorcích 1-8 bylo měřeno na čele na osmi místech, na vzorcích 9-21 na dvanácti místech. Obě měření se tak vzájemně doplňují. Větší počet měření nebyl volen s ohledem na časovou a finanční náročnost experimentu. Při volbě postupu měření na jednotlivých místech byly aplikovány zásady plánovaného experimentu - měření neprobíhala za sebou, ale křížem pro eliminaci chyb, popř. byly zdvojeny. V příloze k této kapitole jsou na obrázku 22 a obr. 23 zakresleny naměřené hodnoty tvrdosti pro měření na čelech třmene na 12-ti místech. Jednotlivé místa měření s odpovídajícími hodnotami HB jsou spojeny křivkou. Neboť měření probíhalo po kružnici, je první (0 0 ) a poslední poloha (360 0 ) totožná. Již z těchto grafů je znát, že výsledné hodnoty měření jsou závislé na poloze na čele odlitku. To nám potvrzuje i graf průměrných hodnot tvrdosti pro jednotlivé polohy na čele třmene - obr 24 v příloze. Nejnižší hodnoty HB jsou mezi 90-210 0. V tab. 8 a v tab. 10 jsou průměrné hodnoty tvrdosti pro jednotlivé vzorky. V tabulce 10 jsou průměrné hodnoty tvrdosti HB pro měření na 12-ti místech podle polohy. Tab. 8 Průměrné hodnoty tvrdosti HB pro měření na 12-ti místech Vzorek: Vzorek 9 Vzorek 10 Vzorek 11 Vzorek 12 Vzorek 13 Vzorek 14 Tvrdost HB 204 195 180 199 189 204 Vzorek 15 Vzorek 16 Vzorek 17 Vzorek 18 Vzorek 19 Vzorek 20 Vzorek 21 190 210 197 198 197 214 204 V grafu na obr. 25 v příloze jsou vyneseny hodnoty tvrdosti HB pro měření na osmi místech. I zde, i když ne tak výrazně, se projevuje vliv polohy místa měření na hodnotě tvrdosti. V tab. 10 jsou průměrné hodnoty tvrdosti HB pro měření na 8-ti místech a v tab. 11 jsou průměrné hodnoty tvrdosti HB pro měření na 8-ti místech podle polohy.

76 Tab. 9 Průměrné hodnoty tvrdosti HB pro měření na 12-ti místech podle polohy Poloha Úhel Tvrdost 1 0 206 2 30 207 3 60 191 4 90 190 5 120 189 6 150 188 7 180 191 8 210 202 9 240 205 10 270 201 11 300 196 12 330 206 Můžeme konstatovat, že byla zjištěna závislost mezi polohou měření a hodnotou tvrdosti. Pro její potvrzení je však třeba udělat více měření, ale je patrné, že je nejspíš dána teplotním polem, resp. odlišným chemické složením v jednotlivých místech odlitku. Plocha čela při odlévání byla kolmá k lití (kolmá ke směru gravitace). Na obrázku 21 v příloze jsou křivky chladnutí pro 12 míst po obvodu čela třmene. Vidíme, podobně jako na obrázku 20, kde jsou křivky chladnutí pro čtyři místa, že teplotní pole po obvodu čela třmene není homogenní. To dokumentují i obrázky 18 a 19 v příloze. Tab. 10 Průměrné hodnoty tvrdosti HB pro měření na 8-ti místech Vzorek: Vzorek 1 Vzorek 2 Vzorek 3 Vzorek 4 Vzorek 5 Vzorek 6 Vzorek 7 Vzorek 8 Tvrdost HB 174 183 172 187 176 170 176 159 Tab. 11 Průměrné hodnoty tvrdosti HB pro měření na 8-ti místech podle polohy Místo Úhel Tvrdost HB Budeme-li porovnávat teplotní pole zjištěné ze 1 0 201 simulace s naměřenými hodnotami tvrdosti 2 45 197 zjistíme, že místům na čele, které chladnou 3 90 199 nejrychleji, odpovídají nevyšší hodnoty tvrdosti 4 135 199 zjištěné experimentálně a to i přesto, že rozdíly v 5 180 202 tvrdosti nepřesahují v jednotlivých místech 20 HB. 6 225 201 Například místo 1 a 2 (tab. 9), které 7 270 201 dosahují tvrdosti 206, resp. 207 HB jsou podle simulace nejrychleji chladnoucí. Naopak místo 5 a 8 315 194 6 má nejnižší tvrdost 189, resp. 188 HB a je nejpomaleji chladnoucí. Pro porovnání uvádím předpis pro tvrdost, pode které se kontroluje tvrdost odlitků třmenů v firmě Motor JIKOV ČB, kde je požadována tvrdost mezi 170 až 240 HB. To je dáno osvědčením dle normy EN 10204-3.1 B, která je aplikována ve firmě. Při kontrole jsme zjistili, že hodnoty třmenů odpovídají předepsaným mezím a ani na jednom z kontrolovaných míst nepřekročily dolní ani horní hranici. Průměrné hodnoty tvrdosti se pohybovaly od 188 do 207 HB. Pro kontrolu byla provedena na čele třmene na dvou odlitcích - 4 a 20 analýza chemického složení a to v laboratořích slévárny Motor JIKOV České Budějovice. Na odlitku č. 4 na čtyřech místech po 90 0 ve směru pohybu hodinových ručiček, na odlitku č. 2 na dvou místech po 180 0 - tab. 12. Nebyla zjištěna výrazná závislost na poloze na odlitku. Lze tedy konstatovat, že tvrdost na odlitku je určována především teplotním polem, které lze zachytit počítačovou simulací. Tab. 12 Chemické složení Obsah C% Si% Mn% P% S% Cu% č. 20-1 3,60 2,23 0,31 0,018 0,013 0,41 č. 20-2 3,62 2,21 0,32 0,018 0,012 0,41 č. 4-1 3,48 2,80 0,22 0,017 0,012 0,23 č. 4-2 3,48 2,78 0,23 0,018 0,011 0,24 č. 4-3 3,49 2,82 0,22 0,018 0,012 0,23 č. 4 4 3,50 2,82 0,22 0,018 0,012 0,23

77 Druhou oblastí, kde probíhalo měření tvrdostí třmenů byly ramena. Na každém odlitku jsou dva kusy, celkem bylo měřeno na 29 vzorcích ramen, na každém z nich na třech místech. I toto měření probíhalo na tvrdoměru HPO 250 v laboratořích odbor slévárenství. Minimální hodnoty tvrdosti jsou 167 HB pro místo 1 a 170 HB pro místo 2 a 3. Maximální hodnoty tvrdosti jsou 229 HB pro místo 3, 239 HB pro místo 2 a 285 HB pro místo 1. Průměrná hodnota je 196 HB pro místo 3, 200 HB pro místo 2 a 203 HB pro místo1. Teplotní pole na ramenech v čase 250 s je na obrázku 14 v příloze. Křivky chladnutí pro tyto tři místa jsou na obrázku 16 a 17 v příloze - detail v čase do 500s. Vidíme, že nejrychleji chladnoucím místem je místo 1. Tomu odpovídá i nejvyšší průměrná tvrdost - 203 HB. Následována místem 2 a 3. To odpovídá i naměřeným hodnotám tvrdosti. Díky dostatečnému množství naměřených dat je, v kapitole 11, provedeno kompletní statistické vyhodnocení. 10.6. Měření rychlosti ultrazvuku Pro potřeby měření rychlosti ultrazvuku c L na třmenech bylo použito stejných vzorků jako pro následné měření tvrdosti a struktury, tj. z odlitků č. 1 až č. 31 obrobeny čela a ramena. Pro eliminaci chyb měření ultrazvukem, je tloušťka obou druhů vzorků vždy stejná (plochy broušeny). Tak jsme vyloučili možné nepřesnosti ovlivněné nestejnou tloušťkou jednotlivých vzorků. Obdobně jsme postupovali při měření rychlosti c L na odlitku válce. Abychom se vyvarovali, resp. odhalili chyby při měření, využili jsme opět zásad plánovaného experimentu. Měřící místa na jednotlivých vzorcích byly voleny do kříže nepostupovali jsme plynule po kružnici. Na čelech třmene probíhalo měření na osmi (vzorek č. 1-8 a vzorek č. 17-31), respektive na dvanácti místech (vzorek č. 9-16). Rozmístění měřících bodů je stejné jako u měření tvrdosti, pořadí míst je po směru hodinových ručiček. Celkem tedy bylo měřeno 96x na 12-ti místech a 184x na místech 8-mi. Druhým typem vzorků na třmenech jsou ramena, kde bylo měřeno vždy na třech místech a celkem na 42 vzorcích celkem 126 měření. Cílem měření bylo prokázat vztah mezi absolutní rychlosti ultrazvuku a dalšími vlastnostmi matrice v našem případě tvrdosti HB na stejných místech. A to vše v souvislosti s teplotním polem při chladnutí odlitku třmene. V příloze na obr. 20 jsou uvedeny křivky chladnutí pro čtyři místa na čele třmene po 90 0 a na obr. 21 pro dvanáct míst na čele třmene (po 30 0 ). Přístrojové vybavení: pro všechna měření rychlosti ultrazvuku bylo použito přístroje KARL DEUTSCH D-56 Wuppertal 1, ECHOMETR 1060, sonda HB 2-10 MHz o průměru 10 mm, akustická vazba - olej. Tab. 13 Průměrná rychlost ultrazvuku na čele třmene při měření na 12-ti místech Místo Poloha Průměr c L [ms -1 ] 1 0 5600 2 30 5603 3 60 5596 4 90 5595 5 120 5590 6 150 5600 7 180 5606 8 210 5595 9 240 5596 10 270 5598 11 300 5607 12 330 5599 V tabulce 13 jsou průměrné hodnoty absolutní rychlosti ultrazvuku c L [m/s] pro měření na 12-ti místech. V příloze na obr. 26 jsou vyneseny naměřené hodnoty rychlosti, se spojnici pro jednotlivé vzorky. Je vidět, že rychlost c L má závislost na místě měření po obvodě, jak to dokumentuje graf 27 v příloze. Na obrázku 27 v příloze je spojnice průměrných hodnot pro měření na 12-ti místech. Je znát, že minimum hodnot je v poloze 3-5, tj. v podobných místech jak minimum při měření tvrdosti HB.

78 Tab. 14 Rychlost ultrazvuku na čele třmene při měření na 8-mi místech Místo Poloha Průměr c L [ms -1 ] V tabulce 14 jsou průměrné hodnoty rychlosti 1 0 5621 ultrazvuku [m/s] pro měření na 8-ti místech. 2 45 5621 V příloze na obr. 28, obr. 29, obr. 30 a obr. 31 3 90 5622 jsou vyneseny naměřené hodnoty rychlosti, se 4 135 5622 spojnici pro jednotlivé vzorky. Na obrázku 32 v příloze je spojnice průměrných hodnot pro měření 5 180 5617 na 8-mi místech. 6 225 5622 7 270 5617 8 315 5622 V tabulce 15 jsou průměrné hodnoty pro jednotlivé vzorky, kde bylo měřeno na 12-ti místech. V tabulce 16 jsou průměrné hodnoty pro jednotlivé vzorky, kde bylo měřeno na 8-mi místech. Tab. 15 Průměrné hodnoty pro jednotlivé vzorky, kde bylo měřeno na 12-ti místech Vzorek Vzorek 9 Vzorek 10 Vzorek 11 Vzorek 12 Vzorek 13 Vzorek 14 Vzorek 15 Vzorek 16 Průměr c L [ms -1 ] 5603 5593 5584 5576 5615 5612 5601 5605 Tab. 16 Průměrné hodnoty pro jednotlivé vzorky, kde bylo měřeno na 8-mi místech Vzorek Vzorek 1 Vzorek 2 Vzorek 3 Vzorek 4 Vzorek 5 Vzorek 6 Průměr c L [ms -1 ] 5605 5638 5637 5589 5637 5644 Vzorek Vzorek 7 Vzorek 8 Vzorek 17 Vzorek 18 Vzorek 19 Vzorek 20 Průměr c L [ms -1 ] 5606 5669 5640 5615 5612 5579 Vzorek Vzorek 21 Vzorek 22 Vzorek 23 Vzorek 24 Vzorek 25 Vzorek 26 Průměr c L [ms -1 ] 5638 5580 5666 5610 5613 5613 Vzorek Vzorek 27 Vzorek 28 Vzorek 29 Vzorek 30 Vzorek 31 Průměr c L [ms -1 ] 5613 5613 5604 5604 5646 V tab. 17 jsou uvedeny maximální a minimální hodnoty absolutní rychlosti c L. Tab. 17 Hodnoty absolutní rychlosti c L [ms -1 ] pro měření na 12-ti místech Vzorek 9 10 11 12 13 14 15 16 Maximální 5609 5617 5597 5599 5641 5629 5613 5634 hodnota [ms-1] Minimální 5592 5577 5567 5549 5599 5598 5591 5598 hodnota [ms-1] Rozdíl [ms-1] 17 40 30 50 42 31 22 36 Značení vzorků odpovídá označení odlitků třmene, jehož pořadí respektuje tok výroby. Při hodnocení obrázku 27 v příloze je vidět, že rozptyl hodnot u jednotlivých měření není příliš velký (maximum je 59 ms -1, průměrný rozdíl je 27 ms -1, což představuje cca 0,5% z absolutní hodnoty rychlosti), viz tab. 17 (pro měření na 12-ti místech) a tab. 18 (měření na 8-mi místech). Ve slévárně Motor JIKOV a.s. je stanovena směrodatná hodnota rychlosti c L 5630 ms -1. Pásmo rozptylu je v rozmezí ± 50 ms -1 (5580-5690 ms -1 ). Z toho vyplývá, že hodnoty stanovené slévárnou nebyly, při měření na 12-ti místech na čele, až na vzorek č.12, nikde překročeny (u vzorku č. 12 je minimální hodnota 5576 ms -1 ).

79 Tab. 18 Hodnoty absolutní rychlosti c L [ms -1 ] při měření na 8-mi místech Vzorek 1 2 3 4 5 6 7 8 Maximální 5609 5644 5644 5608 5666 5657 5615 5686 hodnota [ms-1] Minimální 5600 5632 5624 5559 5610 5634 5601 5627 hodnota [ms-1] Rozdíl [ms-1] 9 12 20 49 56 23 14 59 Vzorek 17 18 19 20 21 22 23 24 Maximální 5654 5624 5626 5597 5645 5599 5684 5616 hodnota [ms-1] Minimální 5631 5600 5600 5567 5630 5597 5629 5607 hodnota [ms-1] Rozdíl [ms-1] 23 24 26 30 15 2 55 9 Vzorek 25 26 27 28 29 30 31 Průměr Maximální 5629 5626 5629 5626 5613 5634 5667 5635 hodnota [ms-1] Minimální 5599 5608 5599 5608 5600 5591 5627 5608 hodnota [ms-1] Rozdíl [ms-1] 30 18 30 18 13 43 40 27 U měření na 8-mi místech, byly hodnoty stanovené slévárnou u vzorku č.4 a č. 20 překročeny (u vzorku č. 4 je minimální hodnota 5559 a u vzorku č. 20-5567 ms -1 ). Z tohoto rozboru je vidět, že při hodnocení kvality odlitků je třeba vyházet z vlastností celého odlitku. Nejen tedy z dvou či tří míst, kde se provádí výrobní kontrola. V příloze jsou grafy naměřených hodnot: Na obrázku 26 jsou hodnoty pro měření na vzorcích č. 9-16 (pro měření na 12-ti místech), na obrázku 28 pro vzorky č. 1-6 (pro měření na 8-mi místech), na obrázku 29 pro vzorky č. 7,8, 17-20 (pro měření na 8-mi místech), na obrázku 30 pro vzorky č. 21-26 (pro měření na 8-mi místech) a na obrázku 31 pro vzorky č. 27-31 (pro měření na 8-mi místech). Měření rychlosti ultrazvuku na ramenech třmene Druhou oblastí na odlitku třmene, kde probíhala měření jsou ramena. Na nich bylo měřeno vždy na třech místech, tj. celkem na 21 odlitcích po dvou ramenech a na každém na třech místech celkem 126 měření. Průměrná hodnota ze všech měření je 5548 ms -1, minimální hodnota je 5387 a maximální 5634 ms -1. Podobně jako u hodnocení tvrdosti i zde je v místě 1, které chladne nejrychleji dosaženo nejvyšší hodnoty - 5556 ms -1. Místo 2 má průměrnou hodnoty rychlosti ultrazvuku 5550 ms -1 a místo 3, které chladne nejpomaleji, má nejnižší hodnotu rychlosti - 5549 ms -1. Přestože rozdíly mezi rychlostmi c L jsou velmi malé, počítačová simulace dobře odpovídá předpokládaným závěrům. Podrobný statistický rozbor všech měření tvrdostí a rychlosti c L je proveden v kapitole 11.

80 10.7. Měření rychlosti ultrazvuku na třmenech v provozu V rámci experimentálních prací proběhlo rovněž měření na odlitích třmene přímo v provozu slévárny MOTOR JIKOV České Budějovice. Místa měření odpovídala místům měření v provozu - obr. 50, plochy nebyly obrobeny. To se samozřejmě projevilo ve variačním rozpětí = 115 ms -1. Místa měření c L u třmene v provozu Obr. 50 Místa měření na třmenech v provozu Pro měření bylo použito stejného měřícího zařízení jak u ostatních měření rychlosti ultrazvuku na třmenech. Neboť plochy nebyly obrobeny, hodnotili jsme i to, zda se na měření projeví tloušťka prozvučované vrstvy. Na obr. 33 v příloze je graf zobrazující všech 50 měření (na 25 odlitcích) v závislosti na pořadí měření. Na obrázku 34 v příloze je závislost naměřených hodnot rychlosti c L v závislosti na prozvučované tloušťce vrstvy kovu. Z grafu je patrná mírná korelace (r < 0,1). Pro hlubší studium by bylo nutné analyzovat větší rozsah vzorků o podstatně větším rozsahu tloušťek. Průměrná hodnota ze všech měření je 5729 ms -1, minimální hodnota je 5677 a maximální 5792 ms -1. Podrobnější rozbor a porovnání jednotlivých měření je v nadcházející kapitole. 10.8. Mikrostruktura třmene Na odlitku třmene jsme prováděli vyhodnocení feriticko-perlitické matrice a parametrů grafitu. Hodnocení mikrostruktury bylo analyzováno nejprve u třmenů v místech umístění termočlánků (odlitek třmene č. 1 a č. 2), dále pak na ploše třmene na čelech, kde byly vyhodnocovány i rychlosti šíření ultrazvuku a hodnoty tvrdosti. 4 2 1 Vyhodnocení mikrostruktur bylo prováděno na světelném mikroskopu NEOPHOT 32 při 100 x zvětšení podle normy ČSN 42 0461 [97]. Vyhodnocení tvaru a velikosti grafitu bylo určováno ve stavu neleptaném a základní kovová hmota ve stavu leptaném za použití prostředku 2,5 % Nital. 3 Obr. 51 Poloha míst pro měření struktury na odlitcích třmenů

81 Vyhodnocování feriticko-perlitické základní hmoty a parametrů grafitu bylo provedeno v laboratořích odboru slévárenství, část experimentální práce včetně fotodokumentace jsme nechali udělat v laboratořích odboru strukturní a fázové analýzy na Ústavu F. Píška, VUT FSI. Obsah perlitu v místě umístění termočlánku v odlitku třmene č. 1 je 20 %, třmene č. 2 30 % perlitu. Dále byla na stejném místě analyzována struktura i u odlitků č. 3 - č. 7, neboť toto místo je určeno smlouvou mezi slévárnou Motor JIKOV ČB a jejím odběratelem třmenů autobrzd. Parametry matrice a grafitu v místech umístění termočlánků na vzorcích 1-7: Vzorek č. 1 80% VI 7 + 20% VI 8 P20 Vzorek č. 2 90% VI 7 + 10% VI 8 P30 Vzorek č. 3 20% VI 6 + 70% VI 7 + 10% VI 8 P15 Vzorek č. 4 10 %VI 5 + 60% VI 7 + 30% VI 8 P40 Vzorek č. 5 10% VI 5 + 90% VI 7 P30 Vzorek č. 6 60% VI 6 + 40% VI 8 P30 Vzorek č. 7 70% VI 6 + 30% VI 7 P25 Označení odpovídá značení dle ČSN 42 0461 [97]. Tyto hodnoty struktury odpovídají dalším měřením provedeným přímo v laboratořích slévárny litiny Motor JIKOV České Budějovice, které bylo následující (tab. 19) a to dle osvědčení EN 10204-3.1 B: Tab. 19 Vyhodnocení struktury čela třmene provedené v lab. slévárny MJ České Budějovice Vzorek a) b) c) d) e) Obsah perlitu 25% 10% 10% 15% 25% Obsah feritu 75% 90% 90% 85% 75% Tvar grafitu - dokonale zrnitý 90% 90% 90% 90% 90% Nedokonale zrnitý 10% 10% 10% 10% 10% Velikost grafitu: 7-8 7-8 7-8 7-8 7-8 Dále probíhalo na stejných sedmi vzorcích třmenů (č. 1 č. 7) komplexní hodnocení feritickoperlitické hmoty na čtyřech místech na čele - obr. 51. Bylo zjištěno, že množství perlitu se mění jak na poloze měřeného místa na odlitku, tak i podle polohy po šířce stěny a to tak, že množství perlitu se zvyšovalo od vnějšího okraje směrem do středu stěny až na množství 45 65 %. U vnitřního okraje stěny naopak poklesl obsah perlitu přibližně na 25 % (červená šipka v obrázku 51). Zbývající množství základní kovové hmoty je ferit. Teplotní pole pro čelo třmene jsou v příloze ke kap. 10 na obrázcích 18 a 19, křivky chladnutí pro čtyři místa na čele třeme na obrázku 20 v příloze. Naměřené hodnoty obsahu perlitu jsou zaneseny do tabulky 1 v příloze. Fotodokumentace pro vzorky č. 1 až 7 je v příloze na CD ROMu, a to na obrázcích 42-55. Snímky zobrazují při 200x zvětšení místo na vnějším okraji a ve středu šířky stěny. V místě 1 je průměrné množství perlitu 29% (minimum je 20% a maximum 40%), v místě 2 je průměrné množství perlitu 45% (minimum je 40% a maximum 50%), v místě 3 je průměrné množství perlitu 27% (minimum je 20% a maximum 35%) a v místě 4 je průměrné množství perlitu 31% (minimum je 20% a maximum 40%). Je vidět, že obsah perlitu, resp. feritu je závislý na poloze a to ještě výrazněji, než-li je tomu u hodnot tvrdosti či rychlosti ultrazvuku. Čelo třmene odlitku jsme dále analyzovali na dalších sedmi odlitcích - č. 9 až 15 a to každý na 12-ti místech, stejných jak pro vyhodnocování rychlosti c L a tvrdosti HB. Hodnoty z měření obsahu perlitu na vzorcích č. 9 - č. 15 jsou v tabulce 2 v příloze. Průměrné množství perlitu na jednotlivých místech je od 20 % u místa 6 do 42 % na místě 3. Průměrné obsahy perlitu, ať již změřených na 12-ti či na čtyřech místech na čele třmene, jsou seřazeny v tabulce 3 a), b) v příloze. Průměrná hodnota obsahu perlitu je přes 32 % a geometrický průměr je 30 %. V kapitole 11 je podrobná statistika obsahu perlitu na vzorcích z třmenů. Na obrázku 35 v příloze je zobrazeno průměrné množství perlitu po průřezu čela odlitku (měření na 12-ti místech). Na obrázku 36 v příloze je graf množství perlitu na odlitcích třmene - 9 až 15. Z hodnot měřených na 12-ti místech je potvrzeno, že obsah perlitu je silně závislý na poloze na odlitku. Hodnocení u odlitků třmenů č.1 - č. 7a č. 9 až č. 15 místy překračují smluvní hodnoty (obsah perlitu až 50 %). Z grafů jednotlivých měření, tak i z jejich průměrného obsahu je vidět, že obsah strukturních složek je závislý na jejich poloze na odlitku, resp. na poloze teplotního pole.

82 Při analýze příčin byla znovu provedena analýza chemického složení u třmenů. Byly náhodně vybrány další dva odlitky - č.12 a č.14. Experiment byl proveden v laboratořích společnosti Motor JIKOV České Budějovice. Chemické složení je analyzováno po obvodu čela třmene na čtyřech místech (větší počet nebyl volen z technologického důvodu). Výsledné hodnoty jsou v tabulce 20 a tab. 21. Tab. 20 Chemické složení třmene 12 Poloha C% Si% Mn% P% S% Cu% 1 3,50 2,52 0,23 0,019 0,012 0,14 2 3,48 2,50 0,22 0,020 0,013 0,14 3 3,50 2,49 0,22 0,020 0,013 0,15 4 3,50 2,52 0,22 0,020 0,013 0,14 Tab. 21 Chemické složení třmen 14 Poloha C% Si% Mn% P% S% Cu% 1 3,48 2,50 0,22 0,018 0,013 0,15 2 3,48 2,51 0,21 0,019 0,012 0,15 3 3,50 2,49 0,21 0,020 0,012 0,15 4 3,49 2,50 0,21 0,019 0,012 0,15 Lze konstatovat, že na základě proběhnuvšího měření se chemické složení významně neliší po průřezu čela třmene. 5 2 3 1 Strukturní charakteristikou, kterou jsme hodnotili byly i parametry grafitu. Místa vyhodnocování jsou opět na čele třmene a to na pěti místech. Čtyři místa jsou na obvodu odlitku totožná z místy (č.3) dřívějšího měření, a jedno místo je v části dle obrázku 52. 4 Obr. 52 Vyznačená místa měření grafitů Měření parametru grafitu probíhalo na odlitcích č. 9-15. Účelem experimentu bylo zhodnotit vliv místa na odlitku na počet částic grafitu, jeho velikost a zrnitost (dokonale/nedokonale zrnitý). V tabulkách 4-10 v příloze jsou uvedeny veškeré naměřené hodnoty. V tabulce 11 jsou průměrné hodnoty ze všech měření. Největší průměrný počet grafitu (54 globulí) je v místě 4 a nejnižší (37 globulí) v místě 5. Podívejme se nyní na obrázek 18 v příloze. Lze určit, že místo 1 je nejrychleji chladnoucí, zatímco místo 5 - naopak, nejpomaleji. To přesně odpovídá teorii o tvorbě parametrů grafitu. Nejčastější velikost grafitu je velikost 8 a to v místě 4 přes 33 globulí, což je přes 60% všech objektů na ploše. Nejméně zastoupená velikost je velikost 6, kde jen v místě 3 překračuje v průměrném množství 4 globule. Nejméně grafitu velikosti 6 je v místech 2 a 4 - průměrně jen 3 globule, což představuje 7% v místě 2, resp. 5,4 % v místě 4. Nejdokonaleji zrnitý grafit je v místě 3 a to průměrně 41 globulí, což představuje přes 85 % ze všech grafitu v dané oblasti. Nejméně pravidelný je v místě 4, kde je jen 73 % globulí pravidelných.

83 Na obrázku 37 v příloze je graf naměřeného množství grafitu na čele odlitku. Na obrázku 38 je graf průměrného množství grafitu pro jednotlivá analyzována místa je opět vidět závislost na poloze na odlitku. Na obrázku 39 je zobrazen počet pravidelného grafitu na čele a na obrázku 40 je jeho průměrné množství. Zde se ještě výrazněji projevuje vliv místa na čele třmene. Na obrázku 41 je procentuální podíl pravidelného grafitu po průřezu odlitkem. V obrazové části přílohy na CD ROMu jsou na obrázcích 56-71 - snímky plochy vzorku, kde probíhalo vyhodnocování grafitu. Zvětšení je 100x, vzorky byly odebírány ze středu šířky stěny čela třmene. Snímky dokumentují stav neleptaný a leptaný Nitalem 2,5%. Podrobný rozbor parametrů grafitu je v kapitole 16, kde jej budeme hodnotit za využití metod obrazové analýzy a počítačové simulace. 10.9. Počítačová simulace třmene Na obrázku 20 v příloze jsou křivky chladnutí pro čelo třmene - měření na čtyřech místech. Je vidět, že nejpomaleji chladnoucím místem je místo 3, následované místem 2. S rozdílem cca 25 0 C následujíc křivky chladnutí pro místa 1 a 4. Na obrázku 21 v příloze jsou vyneseny křivky chladnutí pro měření na 12-ti místech pro čas do 160 s. Rozdíly mezi nejrychleji chladnoucím místem a nejpomaleji je cca 25 0 C, ale na počátku chladnutí je rozdíl mezi křivkami až 50 0 C. V místě umístění termočlánků bylo experimentem zjištěno 25-35% perlitu a zbývající množství feritu. Ze simulace je obsah perlitu 35 % a zbývající množství feritu. To dokumentují obrázky 72 a 75 v příloze. Obsah feritu na rameni je od 59 do 63% (obr. 74 v příloze). Počítačová simulace mikrostruktury docela přesně určila strukturu zjištěnou z experimentálního měření. Když se podíváme na obrázek 76 v příloze, kde je zobrazen řez čelem třmene vidíme, že v místě 2 je ze simulace obsah periltu 41% a z experimentu průměrné množství 45% (od 40 do 50%). V místě 3 je ze simulace 38% perlitu a z experimentu 27% (od 20 do 35%), v místě 4 je ze simulace obsah perlitu 40% a z experimentu 31% (od 20 do 40%). Největší rozdíl je v místě 1, kde je ze simulace obsah perlitu 42% a z experimentu průměrně jen 29% (od 20 do 40%). Rozdíly jsou dány odlišnosti chemického složení slitiny z experimentu a daty pro materiál, vloženým do databanky simulačního programu SIMTEC, který byl použit pro výpočet teplotního pole. 10.10. Teplotní pole experimentálního válce Cílem lití tohoto odlitku bylo vytvořit co nejjednodušší odlitek, který by zajistil co nejjednodušší teplotní pole tvar válce. Rozměry válce jsou: délka 205 mm, průměr 64 mm, slitina ČSN 42 2305. Dostatečně velké plochy dovolují po obrobení měřit rychlosti průchodu ultrazvuku, parametry grafitu, strukturu matrice a tvrdost. Díky kruhovitému tvaru jednotlivých řezů lze měřit v několika osách a výsledky vzájemně porovnávat. Teplotní pole se mění jen od středu odlitku ke stěnám a to rovnoměrně ve všech směrech, a po výšce odlitku. Na počátku 10. kapitoly bylo popsáno měření teplotního pole odlitku třmene, stejně se postupovalo při měření TP experimentálního válce. Podmínky lití Válec byl odléván do kokily z materiálu LLG ČSN 42 2420, ručně z pánve. Její tvar a rozměry jsou na obrázku 53. Na obrázku 54 je fotodokumentace připravené kokily. Teplota pánve při lití 1400 0 C odečteno z optického pyrometru. Použité termočlánky: Ni - NiCr, průměr drátku Φ 0,5 mm, průměr ochranného obalu Φ 2,8 mm. Materiál ochrany korund. Špička termočlánku byla z jemně rozemletého korundového prášku spolu s vodním sklem a vytvrzené pomocí CO 2 a posléze vyžíháno.

84 Měřící aparatura: Signál z měřících termočlánků byl veden do vyhodnocovací jednotky v notebooku TAQ book 100 přes AD převodník. Vyhodnocovací pomocí software TAQ View od firmy Omega. 75,5 Φ147,9 12 240 150,4 35 Φ 64,15 151,4 Obr. 53. Tvar a velikost experimentální kokily Úchytná deska pro termočlánky Obr. 54 Vnitřní uspořádání kokily

85 Termočl 5 Termoč. 4 Termoč. 2 Termoč. 3 Termoč. 1 Obr. 55 Vyznačení míst na odlitku válce Materiál kokily: ČSN 422420, podélná půlená forma Rozměry: Vnější průměr D = 140 mm Výška L = 240 mm Průměr vnitřní dutiny: d = 62 mm Výška vnitřní dutiny: l = 195 mm Teplota formy při lití: T = 18 0 C Bylo použito pěti termočlánků, rozmístěných v dutině kokily dle nákresu obr. 55. Zde vidíte rozložení měřících míst v úchytné desce, která se nacházela připevněna na horní ploše kokily jak je vidět z obr. 54. Na obr. 56 jsou zakótované polohy termočlánků v desce. V ose odlitku se nacházel termočlánek č. 1. Volba rozmístění termočlánků byla volena s ohledem na celkový popis teplotního pole v odlitku po ploše, při zachování technologie lití, tj. ruční horem z pánve. Obr. 56 Schéma rozmístění termočlánků po úchytné desce Poloha termočlánku ve výšce kokily byla v 1/2 výšky odlitku, tj. ve 100 mm ode dna kokily.

86 10.11. Vyhodnocení teplotního pole Vyhodnocení křivek chladnutí bylo provedeno stejně jak pro odlitek třmene. Nejprve byla provedena analýza naměřených dat pomocí softwarového balíku Mathcad 7, jejímž účelem bylo zjištění důležitých teplot a časů, které jim přísluší. Analýza křivek chladnutí odlitku válce spočívala jak v určení důležitých teplotních a časových okamžiků na křivkách chladnutí, tak i v pokusu interpolovat křivku chladnutí polynomem. Záznam z vyhodnocování naměřených hodnot je v příloze k této kapitole na CD-ROM, spolu s proložením příslušným polynomem. Vidíme, že ve všech pěti případech je nutné použít polynomu sedmého stupně, neboť užití nižšího řádu nezachycuje dostatečně dobře teplotní průběh. Termočlánek č. 1 T=1149-2,258t + 0,327t 2-0,049t 3 + 3,412x10-3 t 4-1,164x10-4 t 5 + 1,913x10-6 t 6-1,223x10-8 t 7 [ 0 C] Termočlánek č. 2 T = 1152-2,625t + 0,365t 2-0,044t 3 + 2,67x10-3 t 4-8,226x10-5 t 5 + 1,229x10-6 t 6-7,091x10-9 t 7 [ 0 C] Termočlánek č. 3 T = 1158-2,252t - 0,122t 2 + 0,029t 3-2,125x10 3 t 4 + 6,879x10-5 t 5-1,038x10-6 t 6 + 5,99x10-9 t 7 [ 0 C] Termočlánek č. 4 T =1121-2,486t - 0,254t 2 + 0,025t 3-1,246x10-3 t 4 + 3,39x10-5 t 5-4,745x10-7 t 6 + 2,673x10-9 t 7 [ 0 C] Termočlánek č. 5 T = 1132-5,857t - 0,653t 2 + 0,094t 3-4,921x10-3 t 3 + 1,635x10-4 t 4-1,901x10-6 t 6 + 1,052x10-8 t 7 [ 0 C] Vyhodnocené křivky chladnutí a charakteristické hodnoty teplot a jim příslušející časy jsou v tabulce 22. Pro porovnání jsou v tabulce zaneseny i hodnoty z měření na třmenech. Měření ve válci je termočlánek č. 1 až termočlánek č. 5, ve třmenech termočlánek č. 1 a č. 2. Tab. 22 Vyhodnocení křivek na odlitku válce a třmenů Odlitek Válec Válec Válec Válec Válec Třmen Třmen Termočlánek č. T 1 [ 0 C] T 2 [ 0 C] T 3 [ 0 C] T 4 [ 0 C] T 5 [ 0 C] T 1 [ 0 C] T 2 [ 0 C] TL 1205 1190 1195 1185 1180 1238 1072 Čas TL 8 15 6 11 5 4 8 TEN 1138 1128 1120 1095 1090 1165 1040 Čas TEN 63 57 48 45 16 12,5 15 TEU 1121 1102 1058 1048 1025 1137 1028 Čas TEU 79 65 52 52 28 44 40 TER 1125 1118 1090 1060 990 1144 1047 Čas TER 87 72 64 55 35 58 68 TEE 1020 1039 1032 995 960 1080 1014 Čas TEE 107 95 68 74 45 155 126 V příloze ke kapitole jsou uvedeny křivky chladnutí odlitku experimentálního válce. V grafu 9 je zobrazen časový průběh všech pěti křivek chladnutí pro celý měřený průběh, tj. do 1800s. Na obrázku 10 v příloze je zobrazen jejich průběh pro počátek děje, včetně eutektoidní prodlevy do 400 s. Na grafu 11 je teplotní pole do 200 s, kde je velmi patrná eutektická prodleva, která je nejvýznamněji vidět na křivce 1. Jedná se o měření na termočlánku, která byl ve středu odlitku. Na dalších křivkách chladnutí je znát alespoň změna sklonu křivky. Na grafu 12 je časový úsek zachycující eutektoidní fázovou přeměnu. Na grafu 13 je úsek do 50 s od počátku děje lití kovu a zobrazuje dosažení a průběh maxima teploty na jednotlivých termočláncích. Neboť při tomto měření byl hlavní teplotní tok kolmý na měřící termočlánky a tyto byly v dostatečné hmotě odlitku, lze považovat zde naměřené hodnoty za zachycení skutečného stavu teploty tak, jak byl v odlitku válce - viz. rozbor přesnosti měření v kapitole 12.

87 1. řez Vrstva A Vrstva B Vrstva C Vrstva D 2. řez 3. řez 4. řez Zarovnání dna Obr. 57 Poloha řezů odlitkem válce Odlitek válce byl podroben nejkomplexnějšímu vyhodnocování tvrdosti HB a rychlosti ultrazvuku c L ze všech odlitků v této práci. Důvodem bylo nejen korektní změření teplotního pole a to na pěti místech na jednom odlitku, ale především dostatek vhodných ploch, které bylo možné použít pro měření jak tvrdosti, tak i měření rychlosti ultrazvuku. Na obr. 57 je rozdělen válce na čtyři vzorky, které bylo provedeno v mechanické dílně VUT FSI, odbor slévárenství. Červená šipka na obrázku označuje směr válce v kokile a míří proti zemské tíži. Na horním a spodním konci odlitku byly obrobeny vrstvy zasažené smrštěním a zarovnány na rovnoběžné plochy. Plocha každého válce byla rozdělena pomyslnou pravidelnou síti na 37 uzlových bodů v nichž probíhalo měření. Schéma rozdělení bodů na ploše válce je v příloze v tab. 12. V tabulkách tab. 13 až tab. 18 v příloze jsou výsledky měření rychlosti ultrazvuku c L v [ms -1 ]. Použitý měřící přístroj KARL DEUTSCH D-56 Wuppertal 1, hlavice DS6, HB2-10 1432,001. V tab. 13 v příloze je měření na vzorku A řez 1. Z důvodu umístění termočlánku nebylo možné všechna místa odměřit. Proto jsme část uzlových bodů doplnil souměrnými měřeními z protilehlé strany odlitku (modře označeny). Tloušťka měřeného vzorku A byla 28,2 mm. V tab. 14 v příloze je měření na vzorku B řez 2. V důvodu umístění termočlánku a vady na odlitku nebylo možné dvě místa odměřit. V tab. 16 označené tmavě zelenou barvou. Tloušťka měřeného vzorku B byla 29,9 mm. V tab. 15 v příloze je opětovné měření na vzorku B řez 2, avšak z druhé strany. Díky tomu jsme dostali opakované měření, z kterého jsme vypočetli průměrné hodnoty tab. 5. V tab. 16 v příloze jsou průměrné hodnoty ze dvou měření vzorku B tab. 3 a tab. 4. Měření byla prováděna přesně na druhé straně ve stejných uzlových bodech. Na místech, kde chyběla měření byla hodnota dosazena jen z jednoho měření. V tab. 17 v příloze je měření na vzorku C řez 3. Tloušťka měřeného vzorku C byla 37,0 mm. V tab. 18 v příloze je měření absolutní rychlosti ultrazvuku na vzorku D řez 4. Tloušťka měřeného vzorku D byla 38,0 mm. Kompletní statistické vyhodnocení rychlosti ultrazvuku spolu s tvrdostí HB je v kapitole 11.

88 10.12. Chemická analýza Než přistoupíme k hodnocení rychlosti c L na odlitku, nejprve se podívejme na výsledky chemické analýzy. Ve slévárně Motor Jikov České Budějovice, byla provedena analýza a to v každém řezu válce A až D na dvou místech. První hodnota je cca ze středu (vyosení kvůli umístění termočlánku o 5 mm) a druhé místo měření bylo v 1/2 od středu ke kraji. Výsledné hodnoty chemického složení jsou v tab. 23. Tab. 23. Chemické složení odlitků válce Vzorek Místo C Si Mn P S Cu A 1 3,35 2,6 0,25 0,012 0,014 0,18 2 3,37 2,64 0,24 0,012 0,014 0,185 B 1 3,38 2,67 0,24 0,012 0,014 0,185 2 3,4 2,66 0,24 0,012 0,013 0,188 C 1 3,4 2,61 0,25 0,012 0,014 0,19 2 3,41 2,61 0,25 0,013 0,013 0,195 D 1 3,4 2,55 0,24 0,011 0,014 0,198 2 3,38 2,57 0,25 0,012 0,013 0,198 Z hodnot chemického složení v tab. 23 je patrný mírný trend v zastoupení prvků v jednotlivých vzorcích po výšce odlitku válce. Hodnota obsahu uhlíku C je nejnižší na vrcholu válce - vzorek A, se zvyšováním obsahu až do vzorku C. Pokles, nebo stagnace mezi vzorky C a D. To platí u obou sledovaných míst na ploše. Obdobně u obsahu křemíku Si, maximum v zastoupení je ve středu odlitku - vzorky B a C, s poklesem k vrcholu a k horní a spodní části válce. V0 - V1- V2- V3- V4- V5-V6 Zajímalo nás rovněž, jak se mění chemické složení (a zda-li se mění) po průřezu odlitkem. Požádali jsme pracoviště VUT FSI, Odbor Strukturní a fázové analýzy, o určení chemického složení na vzorku C (střed výšky válce) přes jeho šířku. Místa měření jsou na obr. 58. Obr. 58 Místa měření po průřezu vzorkem C Vyhodnocování probíhalo v místech naznačených na obr. 58 a to dvakrát, jednou byla místa pro odběr vzorků velká 0,5 mm 2 - tab. 24 a po druhé 2 mm 2 - tab. 25.

89 Tab. 24 Mikrochemické složení odlitku válce - 0,5 mm 2 Místo Prvek C Si Mn Fe Cu Suma [%] [%] [%] [%] [%] [%] 0 Atomový podíl 29,94 3,78 0,29 60,72 0,28 100 Hmotnostní podíl 5,62 2,69 0,40 85,84 0,44 100 1 Atomový podíl 32,69 3,60 0,23 58,28 0,19 100 Hmotnostní podíl 6,81 2,64 0,33 84,90 0,32 100 2 Atomový podíl 23,85 4,03 0,35 66,51 0,26 100 Hmotnostní podíl 3,23 2,69 0,46 88,24 0,39 100 3 Atomový podíl 24,73 4,07 0,15 65,80 0,26 100 Hmotnostní podíl 3,56 2,74 0,19 88,11 0,40 100 4 Atomový podíl 34,61 3,44 0,26 56,36 0,32 100 Hmotnostní podíl 7,67 2,58 0,38 83,83 0,55 100 5 Atomový podíl 39,77 3,12 0,28 51,55 0,28 100 Hmotnostní podíl 10,20 2,48 0,43 81,39 0,50 100 6 Atomový podíl 38,96 3,13 0,13 52,54 0,24 100 Hmotnostní podíl 9,78 2,46 0,20 82,13 0,43 100 Tab. 25 Mikrochemické složení odlitku válce - 2 mm 2 Místo Prvek C Si Mn Fe Cu Suma [%] [%] [%] [%] [%] [%] 0 Atomový podíl 31,75 3,73 0,20 59,08 0,24 100 Hmotnostní podíl 6,40 2,70 0,28 85,21 0,40 100 1 Atomový podíl 29,43 3,65 0,18 61,46 0,27 100 Hmotnostní podíl 5,40 2,58 0,25 86,33 0,44 100 2 Atomový podíl 23,52 4,26 0,32 66,51 0,39 100 Hmotnostní podíl 3,12 2,84 0,41 88,05 0,58 100 3 Atomový podíl 24,92 3,95 0,32 65,45 0,36 100 Hmotnostní podíl 3,63 2,66 0,42 87,74 0,55 100 4 Atomový podíl 35,23 3,33 0,27 56,07 0,10 100 Hmotnostní podíl 7,96 2,51 0,40 83,96 0,17 100 5 Atomový podíl 42,61 2,90 0,24 49,03 0,22 100 Hmotnostní podíl 11,72 2,38 0,39 80,10 0,41 100 6 Atomový podíl 41,11 2,94 0,28 50,4 0,26 100 Hmotnostní podíl 10,90 2,37 0,45 80,81 0,48 100 Grafické porovnání chemického složení při měření na ploše 2 mm 2 a 0,5 mm 2 je v grafech v příloze 82-86. Vidíme, že u analýzy obsahu uhlíku jsou v obou měřeních dosaženy stejné, nebo velmi blízké, hodnoty. Zároveň je znát, že nejnižší hodnota obsahu uhlíku (obr. 82 v příloze) je ve středu odlitku a to 3,12 %, zatímco ke krajům hodnota stoupá až na 6,81, resp. 11,72 %. U samého okraje však hodnoty klesají o cca 1%. Při porovnání obou průběhů při analýze křemíku (obr. 83 v příloze) ze dvou analýz je znát, že relativní rozdíl je o něco vyšší. Přesto obě měření vystihují stejný průběh. U analýzy vidíme, že zde je naopak nejvyšší množství ve středu odlitku a to 2,74 (2,84) %. Hodnota k okraji klesá až na 2,58%, resp. pod 2,4%. A ke stěně naopak trochu roste, nebo stagnuje. U měření obsahu manganu (obr. 84 v příloze) je největší neshoda, ale to až od místa 4. Pro analýzu v místech 1 až 3 je shoda v průběhu při obou měřeních. Další průběh je lépe zachycen u měření na ploše 2 mm 2, neboť u tohoto měření je analyzována větší plocha, čímž je menší náchylnost

90 na místní nehomogenitu. Za druhé, odlitek byl souměrný, a dá se předpokládat, že tato souměrnost se projeví i u tohoto měření, alespoň v trendu a to platí opět pro měření na větší ploše. Z něho je vidět, že maximum je ve středu - 0,42 % Mn, ke krajům se hodnota snižuje na své minimum - 0,25 % a ke stěně mírně vzrůstá. Když se podíváme na analýzu chemického složení po výšce odlitku válce - obr. 85 až 87 v příloze vidíme, že na obrázku 85 je zobrazen obsah uhlíku a to ve středu odlitku (místo 1) a ve středu vzdálenosti od středu ke kraji odlitku (místo 2). Nejnižší množství C je v řezu 1, teda na vrcholu odlitku. Postupně se jeho množství zvyšuje až do řezu 3. V řezu 4 již množství uhlíku klesá (místo 2), nebo stagnuje (místo 1). Na obrázku 86 je hodnocení obsahu křemíku po výšce odlitku. Od řezu 1 jeho hodnota stoupá do řezu 2. Následuje pokles až do řezu 4 - spodní část odlitku a to u obou míst měření, ve středu je to výraznější. Na obrázku 87 v příloze je znázorněn obsah manganu po výšce odlitku. U tohoto měření, podobně jako u měření po průřezu, je největší odchylka mezi jednotlivými měřeními. Dá se však říci, že od hodnoty v řezu 1 obsah Mn klesá, nebo stagnuje. Mezi řezem 2 a 3 však jeho obsah stoupá a dosahuje maxima. Ke dnu odlitku obsah Mn opět stagnuje nebo klesá. Při analýze chemického složení, ať již po výšce odlitku, nebo po průřezech vidíme, že je ve všech směrech odlitku značná chemická nehomogenita. Ta je zapříčiněna podmínkami při lití a následnými procesy při tuhnutí a chladnutí. 10.13. Rychlost ultrazvuku na odlitku válce V příloze jsou zobrazeny absolutní rychlosti ultrazvuku v jednotlivých řezech. Díky souměrnosti jsme v grafech zobrazili vždy po dvou měřeních kolmých na sebe v jednom řezu. Na obrázku 78 je absolutní rychlost ultrazvuku v řezu 1. Vidíme, že nejvyšší hodnoty rychlosti jsou na okraji odlitku (5771 ms -1 ), které byly ve styku s kovovou kokilou. Následuje prudký pokles ke středu, avšak ve středu odlitku jsou hodnoty rychlosti c L opět vyšší. To přičítáme chemickému složení ve středu odlitku. Podobný průběh vidíme i na obrázku 79, kde jsou hodnoty z obou měření, které byly kolmé na sebe, velmi blízké. Analogicky to platí i pro měření rychlosti v řezu 3 - obr. 80. Zatímco u spodního dílu - obr. 81, nejsou rozdíly v rychlostech c L na jedné polovině odlitku již tak patrné. Tuto nesouměrnost u souměrného odlitku přisuzuji chemickému složení, které vzniklo v průběhu lití a tuhnutí. Lze se však domnívat, že nejvyšší hodnoty jsou na okrajích odlitku, které bylo ve styku se stěnou kokily. Kompletní statistické vyhodnocení je v kapitole 11 10.14. Měření tvrdosti Metoda dle Brinella Průměr kuličky 2,5 mm Čas zatížení 10 s Tlačná síla 187,5 kp Podobně jako u hodnocení absolutní rychlosti ultrazvuku bylo i u měření tvrdosti dle metodiky HB, hodnocen průběh tvrdosti na jednotlivých vzorcích A až D na odlitku válce. Na stejných (tabulka 12 v příloze) 37 místech na řezu válcem probíhalo měření. V obou případech si místa měření odpovídají, včetně jejich pořadí. V příloze v tabulkách 19 až 23 jsou naměřené hodnoty. Na obrázku 88 v příloze je průběh tvrdosti HB ve vzorku A. V každém grafu je po dvojici křivek spojující hodnoty ve dvou kolmých směrech na sebe. Hodnoty na okraji dosahují přes 360 HB, zatímco ve středu klesají až k 260 HB. To představuje více jak 30 % z absolutní hodnoty tvrdosti. Na obrázku 89 je záznam tvrdosti ze vzorku B. I zde dosahují nejvyšší hodnoty HB na okraji odlitku - 340 HB s poklesem ke středu na 239 HB. I zde se potvrzuje, že hodnoty v samém středu jsou poněkud vyšší, než-li v okolí a tvoří zde lokální maximum (255 HB). Na obrázku 90 je průběh tvrdosti na vzorku C. I zde se projevuje již známý trend - nejvyšší hodnoty na okraji související jednoznačně s rychlým odvodem tepla a poklesem do středu, kde však v