UNIVERZA V LJUBLJANI
NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA
DIPLOMSKO DELO
LUKA KOŠMERL
LJUBLJANA, 2021
UNIVERZA V LJUBLJANI
NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA ODDELEK ZA MATERIALE IN METALURGIJO
PRIMERJAVA MEHANSKIH LASTNOSTI SIVE LITINE S KROGLASTIM GRAFITOM ULITE V RAZLIČNE FORME
DIPLOMSKO DELO
LUKA KOŠMERL
LJUBLJANA, september 2021
UNIVERSITY OF LJUBLJANA
FACULTY OF NATURAL SCIENCES AND ENGINEERING DEPARTMENT OF MATERIALS AND METALLURGY
COMPARISION OF MECHANICAL PROPERTIES OF DUCTILE CAST IRON CAST IN DIFFERENT MOULDS
DIPLOMA WORK
LUKA KOŠMERL
LJUBLJANA, September 2021
IV PODATKI O DIPLOMSKEM DELU
Število listov: 49 Število strani: 37 Število slik: 25
Število preglednic: 19 Število literaturnih virov: 19 Število prilog: 0
Študijski program: Univerzitetni študijski program prve stopnje Inženirstvo materialov
Komisija za zagovor diplomskega dela:
Predsednik: prof. dr. Milan Bizjak Mentor: doc. dr. Mitja Petrič Član: prof. dr. Primož Mrvar
Delovni somentor: /
Ljubljana, ………:
V ZAHVALA
Najprej se zahvaljujem svojemu mentorju doc. dr. Mitji Petriču za vso strokovno pomoč ter napotke pri izdelavi diplomskega dela.
Hkrati se zahvaljujem tudi sodelavcema Anžetu Branislju ter Branku Dikiću iz podjetja Livar d.d.
za vso pomoč pri eksperimentalnem delu, ter ekipi iz Inštituta za kovinske materiale in tehnologije, ki je pomagala pri analizi vzorcev.
Za konec bi se še posebej zahvalil družini ter prijateljema Aleksandru Učakarju ter Maticu Predaliču, za konstantno pomoč in podporo tekom študija.
VI IZVLEČEK
Ohlajevalna hitrost ima velik vpliv na transformacijo avstenita v ferit in grafit ter perlit.
Večje ohlajevalne hitrosti pripomorejo k večjemu deležu perlita v mikrostrukturi, zaradi katerega posledično dobimo višje mehanske lastnosti kot so Rm in Rp0,2 ter manjši raztezek A.
Uporabili bomo 3 različne režime hlajenja vzorcev. Prvi je bil tak, da je Y proba ostala v formi do konca strjevanja, drugi, da je bila forma razformana 30 minut po ulitju taline in nato puščena na zraku ter tretji, ki smo ga razformali 30 minut po ulitju taline in nato prenesli, da je nadaljeval pot skupaj s serijskimi ulitki, kateri so bili kasneje tudi uporabljeni kot vzorci za meritve. Iz vseh teh tipov ter serijskih ulitkov smo nato pripravili vzorce za natezni preizkus. Ugotovili smo, da večje ohlajevalne hitrosti povzročijo večjo vsebnost perlita v mikrostrukturi, kateri posledično povzroči višje mehanske lastnosti ter manjši raztezek. Y probe, ki so bile v formi do konca strjevanja so imele mehanske lastnosti najbolj podobne ulitkom, medtem ko so bile najmanj podobne tiste, ki so bili po 30 min puščene na zraku. Y probe puščene na zraku so imele končno razmerje perlita in ferita 94,5 % in 5,5 %, medtem ko so imeli ulitki razmerje 39,46 % in 60,53 %. V mikrostrukturah je bilo največ prisotnih kroglastih grafitnih delcev tipa VI po standardu ISO 945-1 velikosti do 3 mm pri 100 × povečavi. Ugotovljeno je bilo, da imajo Y probe z največjo ohlajevalno hitrostjo najvišje mehanske lastnosti ter najmanjši raztezek, medtem ko so imele najpočasneje ohlajane Y probe ter serijski ulitki najnižje mehanske lastnosti ter hkrati največji raztezek, oboje v tolerancah standarda EN-GJS-500-7C, po katerem naj bi bili narejeni.
Ključne besede: kroglasti grafit, ohlajevalna hitrost, mehanske lastnosti, perlit
VII ABSTRACT
The cooling rate has a great influence on the transformation of austenite into ferrite and graphite and perlite. Higher cooling rates contribute to a higher proportion of perlite in the microstructure, which results in higher mechanical properties such as Rm and Rp0.2 and lower elongation A.
We used 3 different cooling regimes of Y probes. The first was that the Y probe remained in sand form until it cooled to room temperature, the second, that the sand form was deformed 30 minutes after the melt was cast and then left to cool on the air, and the third that the form was deformed 30 minutes after the melt was cast and then transferred to continue the journey along with serial casts, which were later also used as samples for measurements. Samples for tensile testing were then prepared from all these types and serial casts. We found out that higher cooling rates result in higher perlite content in the microstructure, which in turn results in higher mechanical properties and lower elongation.
Y probes that were in form until the end of solidification, had the most similar mechanical properties to serial casts, while those that were left to cool on the air after 30 min were the least similar. Y probes left to cool on the air had a final perlite to ferrite ratio of 94.5% and 5.5%, respectively, while casts had a ratio of 39.46% and 60.53%. In the microstructures, the most present were spheroidal graphite particles of type VI according to the ISO 945- 1 standard, up to 3 mm in size at 100 × magnification. Y samples with the highest cooling rate were found to have the highest mechanical properties and the lowest elongation, while the slowest cooled Y probes and serial casts had the lowest mechanical properties and at the same time the maximum elongation, both within tolerances of EN-GJS-500-7C standard, according to which they are supposed to be made.
Key words: spheroidal graphite, cooling rate, mechanical properties, perlite
VIII VSEBINSKO KAZALO
1. UVOD ... 1
2. TEORETIČNI DEL ... 2
2.1 SIVA LITINA S KROGLASTIM GRAFITOM ... 2
2.2 FAZNI DIAGRAM Fe-C-Si ... 4
2.2.1 STRJEVANJESIVE LITINE S KROGLASTIM GRAFITOM ... 4
2.2.2 EVTEKTOIDNA PREMENA ... 7
2.3 VPLIV VIBRACIJ NA MIKROSTRUKTURO SGI ... 7
2.4 MEHANSKE LASTNOSTI SIVE LITINE...10
3. EKSPERIMENTALNI DEL ...11
3.1 PRIPRAVA TALINE IN LITJE ...11
3.2 IZDELAVA Y PROB IN TESTNIH VZORCEV ...11
3.3 PREISKOVALNE METODE ...14
3.3.1 NATEZNI PREIZKUS ...14
3.3.2 ANALIZA PRELOMNIH POVRŠIN ...16
3.3.3 METALOGRAFSKA ANALIZA ...16
4. REZULTATI ...17
4.1 REZULTATI NATEZNIH PREIZKUSOV ...17
4.1.1 PREIZKUŠANCI Y1800 ...17
4.1.2 PREIZKUŠANCI YVZ ...19
4.1.3 PREIZKUŠANCI YRT ...20
4.1.4 PREIZKUŠANCI IZ ULITKOV ...21
4.2 ANALIZA PRELOMNIH POVRŠIN ...22
4.2.1 VZOREC Y1800 ...22
4.2.2 VZOREC YVZ ...23
4.2.3 VZOREC YRT ...24
4.2.4 VZORCI IZ ULITKOV ...25
4.3 METALOGRAFSKA ANALIZA ...26
4.3.1 VZORCI Y1800 ...26
4.3.2 VZORCI YVZ ...28
4.3.3 VZORCI YRT ...29
IX
4.3.4 VZORCI IZ ULITKOV ...31
5. RAZPRAVA ...33
6. ZAKLJUČKI ...35
7. VIRI IN LITERATURA ...36
X SEZNAM SLIK
Slika 1: Razmerje, med C in Si, ki se uporablja pri izdelavi SGI2 ... 3
Slika 2: Politermni presek ternarnega sistema Fe-C-Si pri 2,5 mas. % Si3 ... 4
Slika 3: Primeri mikrostruktur a) podevtektske b) evtektske c) nadevtektske Fe-C4 ... 5
Slika 4: Značilna ohlajevalna krivulja podevtektske sive litine5 ... 6
Slika 5: Gostota sive litine v odvisnosti od frekvence vibracij8 ... 8
Slika 6: Morfologija primarnega avstenita sive litine pri različnih frekvencah vibracij: (a) 0 Hz, (b) 35 Hz, (c) 50 Hz, (d) 100 Hz8 ... 9
Slika 7: Mehanske lastnosti sive litine v odvisnosti od frekvence vibracij8 ... 10
Slika 8: Oblika peščene forme za Y probe ... 12
Slika 9: Shema stranskega prereza livne votline in njene dimenzije ... 12
Slika 10: Shema prereza livne votline in njene dimenzije ... 13
Slika 11: Ulite Y probe ... 13
Slika 12: INSTRON 125511 ... 15
Slika 13: INSTRON 880211 ... 15
Slika 14: Diagram napetost – raztezek vzorca Y1800: preizkušancaa) 1, 2 in b) 3, 4 ... 18
Slika 15: Diagram napetost – raztezek vzorca YVZ: preizkušanca a) 1, 2 in b) 3, 4... 19
Slika 16: Diagram napetost – raztezek vzorca YRT: preizkušancia) 1, 2, 3 in b) 4, 5 ... 20
Slika 17: Diagram napetost – raztezek za vzorce iz serijskih ulitkov ... 21
Slika 18: Prelomne površine vzorca Y1800: preizkušanec a) 1, b) 2, c) 3 in d) 4 ... 23
Slika 19: Prelomne površine vzorca YVZ: preizkušanec a) 1, b) 2, c) 3 in d) 4 ... 24
Slika 20: Prelomne površine vzorca YRT: preizkušanec a) 1, b) 2, c) 3 in d) 4 ... 25
Slika 21: Prelomne površine vzorca iz ulitka: preizkušanec a) 1, b) 2, in c) 3 ... 26
Slika 22: Metalografska analiza vzorca Y1800: a) porazdelitev grafita, b) barvna klasifikacija grafita, c) mikrostruktura vzorca in d) kroglasti grafit ... 27
Slika 23: Metalografska analiza vzorca YVZ: a) porazdelitev grafita, b) barvna klasifikacija grafita, c) mikrostruktura vzorca in d) kroglasti grafit ... 28
Slika 24: Metalografska analiza vzorca YRT: a) porazdelitev grafita, b) barvna klasifikacija grafita, c) mikrostruktura vzorca in d) kroglasti grafit ... 30
Slika 25: Metalografska analiza vzorca iz ulitka: a) porazdelitev grafita, b) barvna klasifikacija grafita, c) mikrostruktura vzorca in d) kroglasti grafit ... 31
XI SEZNAM PREGLEDNIC
Tabela 1: Statistika dolžine grafita tipa A v sivi litini v odvisnosti od različnih frekvenc vibracij 8
Tabela 2: Kemijska sestava taline (vrednosti v mas. %) ... 11
Tabela 3: Kemijska sestava cepiva Zircinoc (vrednosti v mas. %) ... 11
Tabela 4: Končna kemijska sestava taline (vrednosti v mas. %)... 17
Tabela 5: Rezultati nateznega preizkusa za vzorec Y1800 ... 18
Tabela 6: Rezultati nateznega preizkusa za vzorec YVZ ... 20
Tabela 7: Rezultati nateznega preizkusa za vzorce YRT ... 21
Tabela 8: Rezultati nateznega preizkusa za vzorce iz ulitkov ... 22
Tabela 9: Velikostna porazdelitev grafita v vzorcu Y1800... 27
Tabela 10: Porazdelitev ogljika glede na tip oblike v vzorcu Y1800 ... 28
Tabela 11: Velikostna porazdelitev grafita v vzorcu YVZ ... 29
Tabela 12: Porazdelitev ogljika glede na tip oblike v vzorcu YVZ ... 29
Tabela 13: Velikostna porazdelitev grafita v vzorcu YRT ... 30
Tabela 14: Porazdelitev ogljika glede na tip oblike v vzorcu YRT ... 30
Tabela 15: Velikostna porazdelitev grafita v vzorcu iz ulitkov... 32
Tabela 16: Porazdelitev ogljika glede na tip oblike v vzorcu iz ulitkov ... 32
Tabela 17: Primerjava mehanskih lastnosti med vsemi vzorci... 33
Tabela 18: Primerjava grafita in mikrostrukture med vsemi vzorci ... 33
Tabela 19: Primerjava razporeditve grafita glede na obliko med vsemi vzorci ... 34
XII SEZNAM OKRAJŠAV IN POSEBNIH SIMBOLOV SGI siva litina s kroglastim grafitom
γFe avstenit
αFe ferit
P = (αFe + Fe3C) perlit
G grafit
Fe3C cementit
Rm natezna trdnost [MPa]
Rp0,2 napetost tečenja [MPa]
A raztezek [%]
So presek [mm2]
Lo dolžina [mm]
do premer preizkušanca [mm]
d1 premer glave preizkušanca [mm]
h višina glave preizkušanca [mm]
Lc preizkusna dolžina [mm]
Lt dolžina preizkušanca [mm]
F natezna sila [N]
EN-GJS-500-7C klasifikacija sive litine ki vsebuje kroglasti grafit
DTA differential thermal analysis oz. diferencialna toplotna analiza YRT Y probe, ki so ostale v peščeni formi do sobne temperature
Y1800 Y probe, ki so bile razformane in puščene na zraku po 30 min
YVZ Y probe, ki so bile razformane po 30 min in nato sledile poti ulitkov DIN 50125:2009-07 tehnični standard za pripravo testnih epruvet za natezni preizkus ISO 945-1 tehnični standard za določanje oblike in velikosti grafita v jeklih
1
1. UVOD
V proizvodnji podjetja Livar d.d. prihaja do neskladja mehanskih lastnosti med Y probami in ulitki.
Le-te so na ulitkih nižje kot na Y probah, kjer se lastnosti ujemajo s standardnimi vrednostmi.
V preteklosti so že bile narejene spremembe na procesu izdelave ulitka, med njimi znižanje vsebnosti kositra, s čimer se je doseglo standard kvalitete NL 400 (EN-GJS-400). Dodal se je silicij, ki je promoviral rast ferita. Pot Y probe je drugačna od tiste, ki jo ima ulitek in ima počasnejše hlajenje, zaradi tega dobimo drugačne mehanske lastnosti na ulitku. Pri samem ulitku moramo biti pozorni na njegovo ohlajevalno hitrost, saj mora biti le ta v območju evtektoidne transformacije nizka, tako, da ne pride do prevelikih deležev perlita v ulitku ter notranjih napetosti. Različen čas razformanja ter hitrost ohlajanja tudi povzročata razlike med ulitki. Po razformanju so ulitki premeščeni v košare, kjer se različno ohlajajo glede na njihove pozicije v košari, tisti na vrhu se hladijo hitreje saj na njih vpliva tudi temperatura okolice. Posledica so različni deleži perlita ter neskladja mehanskih lastnosti med ulitki ter nedoseganje standardnih vrednosti.
Namen diplomskega dela je primerjati mehanske lastnosti 6 Y prob ter 3 ulitkov preko 15 testnih epruvet s pomočjo nateznega preizkusa. Y probe se med sabo razlikujejo po času razformanja, 2 se razformata 30 minut po ulitju taline, 2 se razformata po 30 minutah ter premestita v boben na linijo, kjer nadaljujeta pot skupaj z ulitki ter 2, ki ostaneta v peščeni formi do ohladitve na sobno temperaturo. Z nateznim preizkusom smo izmerili natezno trdnost Rm, mejo tečenja Rp0,2 ter raztezek A. Izvedena je bila tudi metalografska analiza na vzorcih ter analiza prelomov.
S pomočjo rezultatov bom poizkusil uskladiti rezultate med Y probami ter ulitki ter poiskal glavne razloge za odstopanja mehanskih lastnosti med Y probo ter ulitkom.
2
2. TEORETIČNI DEL
2.1 SIVA LITINA S KROGLASTIM GRAFITOM
V splošnem je siva litina pomembna zaradi svoje dobre livnosti ter obdelovalnosti. Po razvoju preiskovalnih metod s pomočjo metalografskih ter kemičnih preiskav so se pokazale zmožnosti dodatnega izboljšanja litine, predvsem na področju osnovne oblike ter lastnosti grafita.
Siva litina s kroglastim grafitom (Spheroidal Graphite Cast Iron = SGI) je litina sestavljena iz grafitnih krogel, ki jih obdaja kovinska osnova. Po končnem strjevanju je na visokih temperaturah osnovna mikrostrukturna sestavina avstenit. Le ta pri ohlajanju razpade v grafit in ferit (γFe αFe
+ G) ali pa v perlit, ki je sestavljen iz evtektoidnega cementita in ferita (γFe αFe + Fe3C)(v faznem diagramu Fe-C(Fe3C)). Po navadi se pojavljata obe premeni hkrati. Tak razpad avstenita imenujemo transformacija v trdnem oz. drugače poznan kot evtektoidna premena. Razpad je odvisen od veliko različnih faktorjev, med njimi ohlajevalne hitrosti, legirnih elementov (Mn, Si, Sn, Cu…), števila grafitnih krogel in drugih. Posebno veliko vlogo ima silicij, saj ima velik vpliv na grafitizacijo zaradi česar posledično SGI obravnavamo kot ternarni sistem Fe-C-Si. Mehanske lastnosti feritno-perlitne SGI so odvisne večinoma od razmerja mikrostrukturnih sestavin, bolj specifično od razmerja med feritom in perlitom in ne toliko od same oblike ter porazdelitve grafita.1 Vemo, da majhne ohlajevalne hitrosti ter večje število grafitih krogel v območju evtektoidne premene pospešujejo razpad avstenita v ferit in grafit. Dodatki legirnih elementov, kot so Mn, Sn, Cu in Sb pa povečujejo nagnjenost tvorbe perlitne mikrostrukture.1
V praksi sivo litino s kroglastim grafitom uporabljamo za zlitine v sklopu sistema Fe-C-Si, kateremu dodamo majhen delež Mg, ki služi kot nodulator. Le-ta poleg modifikacijskega učinka tudi dezoksidira ter razžvepla talino in povzroči kroglasto izoblikovanje grafita. Takšno obdelavo taline imenujemo nodulacija. V kolikor hočemo preprečiti belo strjevanje taline, dodamo cepivo na osnovi barija, stroncija … ki zagotovi vnos kali v talino.1
Na sam razvoj mikrostrukture in mehanske lastnosti SGI ima vpliv veliko faktorjev. Glavni med njimi so ohlajevalna hitrost, kemijska sestava, cepljenje …1
Za ustrezen nastanek sive litine morata biti Si in C v posebnem razmerju, saj le tako zagotovimo zadostno nagnjenost k tvorbi grafita. Prikaz takšnega razmerja lahko vidimo na sliki 1.V kolikor je vsota mas. % ogljika ter ene sedmine mas. % silicija manjša od 3,9 mas. % pride do velikega nagnjenja h krčenju. V primeru vsote mas. % ogljika in ene tretjine mas.% silicija nad 4,55 mas.
% pride do flotacije grafita. Pozorni moramo biti, da mas. % silicija ni pod 2 %, saj pride do večjega nagnjenja k belemu strjevanju.1
3
Slika 1: Razmerje, med C in Si, ki se uporablja pri izdelavi SGI2
Na obliko grafita vpliva tudi kemijska sestava. Zaradi tega lahko elemente, ki so prisotni v SGI razdelimo glede na njihov vpliv1:
- primarne elemente (Si, C, Mn, S, P)
- elemente, ki vplivajo na izoblikovanje kroglastega grafita (Ca, Mg) - ostale in elemente za posebne potrebe (Bi, Sb, Pb, Al …)
- legirne elemente (Ni, Co, Mo)
- elemente za stabilizacijo perlita in karbidov (As, Cr, Sn, B in V)
V SGI je v največ primerih koncentracija Si med 1,8 do 2,8 mas. %. Ta pospešuje grafitizacijo, povečuje število nodul ter zmanjšuje velikost evtetskih celic.1
4
2.2 FAZNI DIAGRAM Fe-C-Si
2.2.1 STRJEVANJESIVE LITINE S KROGLASTIM GRAFITOM
Strjevanje SGI lahko opazujemo v politermnem preseku ternarnega faznega diagrama Fe-C-Si, kar je prikazano na sliki 2222.Sistem je prikazan na podlagi 2,5 mas. % Si. Strjevanje litine s sestavo A, ki je sicer podevtetska, začnemo, ko je dosežena likvidus temperatura (točka 1) in sicer s strjevanjem primarnih avstenitnih dendritov iz taline. Ker je v primarnem avstenitu omejena topnost, se v preostanku taline povečuje koncentracija ogljika in sicer vse do ≈ 3.5 mas. % C kar se zgodi pri temperaturi ≈ 1178 °C (točka 2), kjer je doseženo ravnotežje med ogljikom in primarnim avstenitom. Preostanek taline se strjuje po binarni evtektski reakciji v kristale evtektika (avstenit + grafit), kar poteka do točke 3.1
Ko se strjevanje zaključi, je mikrostruktura sestavljena iz primarnega avstenita ter anomalnega globulitnega grafitnega evtektika. Obe sestavini vsebujeta avstenit, ki pri nadaljnjem hlajenju spreminja topnost ogljika vzdolž solvus črte. S tem pride do prenasičenja avstenita, zaradi česa pride do izločanja sekundarnega grafita, ki poteka na že obstoječih evtetskih grafitnih delcih.1 Ko ohlajanje preide evtektoidno točko, postane avstenit neobstojen in razpade v ferit in grafit (γFe
αFe + G) ali v heterogeni zlog perlit (γFe (αFe + Fe3C)).1
Slika 2: Politermni presek ternarnega sistema Fe-C-Si pri 2,5 mas. % Si3
5
V binarnem sistemu Fe-C delimo litine na 3 vrste, odvisno od njihove vsebnosti ogljika. Običajno imamo litine ki vsebujejo lamelasti grafit, lahko pa litine dodamo npr. magnezij in stem spodbudimo rast kroglastega grafita. Podevtektske, z mas. % ogljika med 2,1 % ter 4,3 %, evtektske s 4,3 mas. % ogljika in nadevtektske z več kot 4,3 mas. % ogljika. Glavna razlika med njimi je v njihovi mikrostrukturi po strjevanju. Pri podevtektskih zlitinah po strjevanju vidimo primarni avstenit in grafitni evtektik (avstenit + grafit). Pri nadaljnjem ohlajevanju se tako primarni kot evtektski avstenit transformira in ko se litina ohladi na sobno temperaturo lahko zasledimo v mikrostrukturi dendrite primarnega transformiranega avstenita ter v med dendritnih prostorih grafitni evtektik (ferit + grafit) z naključno orientiranimi lamelnimi delci grafita. V primeru evtektske zlitine opazimo bolj izrazite in grobo izoblikovane delce lamelastega grafita, medtem ko pri nadevtektski zlitini opazimo grobe lamele primarnega grafita, ki se je med strjevanjem razraščal po preostali talini. Le-ta kristalizira evtektsko in posledično zasledimo v mikrostrukturi grobo lamelasti primarni grafit vložen v evtektski osnovi. Primere mikrostruktur omenjenih vrst vidimo na sliki 3.4
Slika 3: Primeri mikrostruktur a) podevtektske b) evtektske c) nadevtektske Fe-C4
Strjevanje sive litine lahko opazujemo s pomočjo ohlajevalne krivulje. Primer le-te lahko vidimo na sliki 4. Z njeno pomočjo lahko razberemo pomembne temperature, kot so temperatura likvidus, evtektski temperaturi, temperatura solidus … 5
6
Slika 4: Značilna ohlajevalna krivulja podevtektske sive litine5
Velik vpliv na litino ima tudi njena stopnja nasičenosti, Sc. Ta je definirana kot razmerje med ogljikom v talini ter evtektičnim ogljikom. V primeru, da je razmerje 1, je litina evtetska. V primeru, da je razmerje manjše ali večje od 1, je litina pod ali nadevtetska. To je pomembno zaradi vpliva na mehanske lastnosti. Za primerjavo, v primeru ko je razmerje 0,73 imamo natezno trdnost 440 MPa, medtem ko v primeru razmerja 1,30 natezna trdnost pade na 100 MPa.6
V relaciji z ogljikom poznamo tudi ogljikov ekvivalent CE, ki v sistemu Fe-C-Si izraža ekvivalentno količino ogljika v dvokomponentnem sistemu Fe-C in sicer po relaciji opisani v enačbi 1. C predstavlja celotno količino ogljika.5
𝐶𝐸 = 4,3 + 𝐶 (1 − 1
𝑆𝑐) (1) Pozorni moramo biti tudi na ekstremne primere. V kolikor talino zelo hitro ohlajamo, se ustvari metastabilni martenzit, ki je nasičena kombinacija ogljika in ferita. Mikrostruktura tako ustvarjenega jekla ni homogena, vendar sestavljena iz ploščatih igel martenzita vdelanih v matrico avstenita. Drugi posebni primer je nastanek bainita, ki nastane, če talino hitro ohladim iz območja nad 550 °C ter jo nato držimo med temperaturama 250 °C ter 550 °C. S tem se izognemo tvorbi perlita. Mikrostruktura bainita je sestavljena iz ploščatih zrn ferita, relativno podobno martenzitni strukturi, znotraj katerih lahko opazimo grafitne delce.7
7
2.2.2 EVTEKTOIDNA PREMENA
Evtektoidna premena v SGI je transformacija v trdnem. Pri visokih temperatura je zanjo osnova avstenit. Pri ohlajanju po končnem strjevanju ali pa toplotni obdelavi pa avstenit razpade v ferit in grafit in/ali pa v heterogeni zlog perlit. V litem stanju imamo pretežno feritno-perlitno mikrostrukturo, njuno razmerje pa je odvisno od ohlajevalne hitrosti, kemijske sestave …1
Vrsta evtektoidne premene in njen potek je pri sivi litini odvisna od mikrostrukture, ki nastane pri strjevanju, predvsem od števila obstoječih grafitnih krogel. Dodani legirni elementi ter nečistoče imajo velik vpliv na rast ter razpad avstenita. Z ohlajanjem litine z večjimi hitrostmi, se v področju evtektoidne premene odraža znižanje temperature začetka le-te ter tvorbe perlita. Na splošno se zaradi veliko manjše koncentracije ogljika v feritu kot v perlitu to odraža kot pospešena rast perlita ter zaostajanje rasti ferita. S počasnejšim ohlajanjem litine skozi območje evtektoidne premene, ogljiku omogočimo, da difundira v bližino grafitnih krogel ter tako pospeši nastanek ferita. Sama difuzivnost je sicer odvisna od časa in temperature, ki je na voljo za evtektoidno premeno.1
Količina grafitnih krogel je odvisna od ohlajevalne hitrosti, večja kot je ohlajevalna hitrost, večje je število krogel. Število krogel v področju evtektoidne premene vpliva na difuzijske poti ogljika, tako rečeno lahko ogljik praktično krmilimo s pomočjo spreminjanja ohlajevalne hitrosti ter cepljenjem litine. Če imamo veliko število nodul so difuzijske razdalje krajše in dobimo večjo količino ferita.1
Pri evtektoidni premeni v SGI vidimo, da poteka podobno kot pri jeklih. V primeru večjih ohlajevalnih hitrosti pride do pojava perlita, saj difuzija ne zmore dovolj hitro difundirati ogljika, ki bi pospešil nastanek ferita. Tako dobimo pretežno perlitno matico. Vendar pa lahko dobimo feritno-perlitno matico, saj na začetku, ko je temperatura še dovolj visoka, difuzija poteče in dobimo ferit, ki se nabira okoli grafitnih krogel. Kasneje pa kot že omenjeno, zaradi prevelike ohlajevalne hitrosti se difuzija upočasni in dobimo perlit.1
2.3 VPLIV VIBRACIJ NA MIKROSTRUKTURO SGI
Eden izmed razlogov za drugačno mikrostrukturo in mehanske lastnosti, so tudi vibracije iztresalne mize, ki ulitke s pomočjo vibracij (tresenja) spravi od rotacijskega bobna do zbiralne košare. Vir 8 je preiskoval vpliv frekvence vibracij na primarni avstenit in lastnosti sive litine, izdelane z tehnologijo litja z izparljivimi modeli. Le-ta poteka tako, da vlita talina izpari peno, ki je obdana s peskom. Na ta način lahko izdelamo kompleksne oblike in dele. Preiskovali so, kako vibracije 0 Hz, 35 Hz, 50 Hz ter 100 Hz med vlivanjem vplivajo na razvoj mikrostrukture. Ugotovili so, da se
8
gostota sive litine z zviševanjem frekvence vibriranja najprej povečuje, nato pa od vibracij nad 35 Hz začne padati, kjer doseže minimum pri 100 Hz. Graf gostote v odvisnosti od frekvence vibracij lahko vidimo na sliki 5.8
Slika 5: Gostota sive litine v odvisnosti od frekvence vibracij8
Kar se tiče morfologije grafita so ugotovili, da se dolžina lamelnega grafita obnaša ravno obratno od gostote. Najprej se zmanjšuje do frekvence 35 Hz, nato pa ponovno zvečuje, kar lahko vidimo v tabeli 1.8
Tabela 1: Statistika dolžine grafita tipa A v sivi litini v odvisnosti od različnih frekvenc vibracij
Oblika primarnega avstenita se obnaša podobno kot dolžina grafita. Ko frekvenca narašča, velikost avstenitnih dendritov pada in primarni ter sekundarni dendriti postajajo bolj fini. Ko presežemo frekvenco 35 Hz, začne mikrostruktura ponovno postajati bol groba. Mikrostrukturo lahko opazujemo na sliki 6.8
Frekvenca [Hz] 0 35 50 100
Dolžina lamelnega grafita [mm] 0,36 0,19 0,27 0,33
9
Slika 6: Morfologija primarnega avstenita sive litine pri različnih frekvencah vibracij: (a) 0 Hz, (b) 35 Hz, (c) 50 Hz, (d) 100 Hz8
Mikrostrukura litine igra pomembno vlogo na njene mehanske lastnosti. Ko so merili trdoto po Brinellu so ugotovili, da se trdota sive litine podobno kot ostale lastnosti, veča do 35 Hz nato pa ponovno začne padati. Glavni razlog za to je, da je pri frekvenci 35 Hz mikrostruktura najbolj gosta, v primerjavi z ostalimi vibracijskimi frekvencami. Vredno je omeniti, da je bila trdota pri frekvenci 100 Hz zelo podobna originalni ne-vibrirani mikrostrukturi, saj imata podobno gosto mikrostrukturo. Za nas bolj pomembno, je njihova ugotovitev vpliva vibracij na natezno trdnost in raztezek. Na sliki 7 lahko vidimo, da natezna trdnost ter raztezek ponovno naraščata do frekvence 35 Hz, nato pa se stvar obrne in začneta ponovno padati. Med frekvencama 35 Hz in 50 Hz sicer raztezek pada veliko bolj strmo kot natezna trdnost, medtem ko od 50 Hz dalje postaneta padca bolj podobna, a tokrat ima natezna trdnost bolj strmega.8
10
Slika 7: Mehanske lastnosti sive litine v odvisnosti od frekvence vibracij8
Vibracije bi tako lahko imela vlogo pri oblikovanju mikrostrukture, saj pridejo ulitki iz rotacijskega bobna s temperaturo višjo od evtektoidne. Vibracije razgretih ulitkov povzročijo rast in nastanek perlitnih jeder na mejah avstenitnih zrn ter med avstenitom in feritom. Tudi prof. dr. Mrvar ter prof.
dr. Medved9, sta ugotovila, da vnos vibracij v ulitek privede do povečanega deleža perlita, posledica katerega so višje mehanske lastnosti.8
2.4 MEHANSKE LASTNOSTI SIVE LITINE
Sive litine imajo povprečno specifično težo 7 g·cm-3. Kot smo že prej omenili je natezna trdnost sive litine močno povezana z osnovno mikrostrukturo ter obliko grafita. Glede na razmerje ferita in perlita se natezna trdnost giblje med 250 MPa ter 800 MPa. Raztezek sivih litin je relativno majhen, za SGI se giblje med 1 % in 5 %, le tega pa lahko potem s termično obdelavo povečamo do med 10 % in 25 %. Na trdoto vpliva predvsem struktura ter porazdelitev grafita. Litina s kroglastim grafitom ima tudi mnogo manjši zarezni učinek kot litina z lamelnim grafitom. Siva litina ima v primerjavi z litino s kroglastim grafitom pri istih trdotah mnogo manjšo natezno trdnost.
Z naraščanjem cementita dvigamo trdoto litine. Feritne litine imajo trdoto ≈ 110 HB, medtem ko jo imajo perlitne 210 HB. Tako se trdota SGI giba med 120 HB in 200 HB. Tlačna trdnost sive litine je med 3 do 6-krat večja kot natezna trdnost, za razliko od jekla, kjer sta si te vrednosti približno enaki. To lastnost se izrablja za primere, ko mora material prestati večje tlačne obremenitve, hkrati pa ne sme biti obremenjen upogibno. Velik pomen ima tudi razmerje ferita in perlita, glede nanj poznamo tudi več standardov za klasifikacije sivih litin. V našem primeru smo imeli kvaliteto NL 500 oziroma standard EN-GJS-500-7, kjer mora biti v mikrostrukturi med 40
% in 60 % perlita, medtem ko imamo na primer kvalitetni standard NL 800, ki zahteva 100 % perlitno mikrostrukturo. Na drugem koncu spektra je kvaliteta NL 400, kjer mora biti vsebnost perlita < 5 %.6
11
3. EKSPERIMENTALNI DEL 3.1 PRIPRAVA TALINE IN LITJE
V namen analize vplivnih parametrov na mehanske lastnosti Y prob ter ulitkov je bilo ulitih 12 vzorcev v 6 Y prob. Sočasno so se z isto talino vlivali serijski ulitki, ki so prav tako bili predmet analize.
Talino smo izdelali v kupolni peči s kemijsko sestavo, ki je prikazana v tabeli 2. Za meritev kemijske sestave je bila uporabljena talina z receptorja Asea LFR 20.
Tabela 2: Kemijska sestava taline (vrednosti v mas. %)
C Si Mn S Cr Cu P Mg Ni Mo V Ti Sn
3,89 1,73 0,20 0,015 0,029 0,047 0,022 0,001 0,021 0,002 0,002 0,009 0,14 Talini je bilo potrebno dodati silicij ter magnezij, saj vrednosti začetne taline niso ustrezale predpisanim vrednostim. Znižati smo potrebovali vsebnost žvepla ter kositra.
Preden smo vlili talino v peščeno formo, sem po dnu livne votline enakomerno posul 10 g cepiva zircinoc. Le ta je inokulacijsko sredstvo, katerega glavne sestavine so silicij, aluminij, kalcij in cirkonij. Cepivo ima tudi predpisane velikosti delcev, ki se nahajajo v njem. Kemijsko sestavo cepiva lahko vidimo v tabeli 3.
Tabela 3: Kemijska sestava cepiva Zircinoc (vrednosti v mas. %)
3.2 IZDELAVA Y PROB IN TESTNIH VZORCEV
Y probe so bile ulite s talino sive litine s kroglastim grafitom, ki je ustrezala standardu EN-GJS- 500-7. Ista talina se je uporabila za ulivanje serijskih ulitkov. Oblika Y prob je trapezoidna prizma z zgornjo ploskvo 52 × 220 mm, spodnjo ploskvo 30 × 194 mm ter višino 135 mm. Shemo peščene forme za Y probo vidimo na sliki 8, medtem ko na slikah 9 in 10 vidimo shemo prereza ter mere Y prob.
Si % Al % Ca % Zr %
Min 73,0 1,00 2,00 1,30
Max 78,0 1,50 2,50 1,80
12
Slika 8: Oblika peščene forme za Y probe
Slika 9: Shema stranskega prereza livne votline in njene dimenzije
13
Slika 10: Shema prereza livne votline in njene dimenzije
Za meritve bomo uporabili 3 različne režime ohlajanja Y prob po strjevanju. YRT za Y probe, ki so ostale v pesku do ohladitve na sobno temperaturo, Y1800 za Y probe, ki smo jih razformali 30 minut po ulitju taline in jih nato pustili, da se hladijo na zraku ter YVZ, za Y probe ki so sledile istemu hladilnemu režimu kot serijski ulitki. Na sliki 11 vidimo vseh 6 ulitih Y prob.
Slika 11: Ulite Y probe
14
Ko so je vseh 6 Y prob ohladilo, smo iz njih naredili 12 cilindrov, ki so bili kasneje postruženi na CNC napravi ter pripravljeni v testne epruvete po standardu DIN 50125:2009-07. Enako je bilo storjeno s 3 cilindri pridobljenimi iz serijskih ulitkov.
Za testne epruvete iz Y prob smo uporabili dimenzije z osnovnim premerom do 16 mm ter dolžino Lo 80 mm, medtem ko smo za epruvete iz ulitkov uporabili premer do 8 mm ter dolžino Lo 40 mm.
3.3 PREISKOVALNE METODE 3.3.1 NATEZNI PREIZKUS
V laboratoriju na Naravoslovnotehniški fakulteti smo izvedli natezne preizkuse na napravi INSTRON 1255 ter INSTRON 8802 (LMP-MI-06). Testne epruvete so bile pripravljene po prej omenjenem standardu DIN 50125:2009-07. Izvedenih je bilo 15 meritev.
Meritve na YRT in YVZ so bile izvedene na napravi INSTRON 1255, medtem ko so bile meritve na Y1800 in serijskih ulitkih izvedena na napravi INSTRON 8802. Začetna hitrost raztezanja je bila 0,00025 s-1, po tem ko je bila dosežena Rp0,2, pa smo pospešili na 0,00670 s-1.
Pri preizkusu je testna epruveta vpeta med dve čeljusti. Zgornja čeljust se premika navzgor s konstantno hitrostjo in s tem povečuje natezno obremenitev do porušitve vzorca. Z računalnikom smo beležili natezno obremenitev ter raztezek. Iz teh je nato računalnik izračunal natezno trdnost, napetost tečenja ter raztezek ob porušitvi.7,10
Natezna trdnost je preračunana po naslednji enačbi:10 𝑅𝑚 = 𝐹
𝑆𝑜 [MPa] (2) Rm predstavlja natezno trdnost, F natezno silo ter So presek testne epruvete.
Raztezek se preračuna po enačbi 3. 10
𝐴 = 𝐿−𝐿𝑜
𝐿𝑜 ∗ 100 % [%] (3)
A predstavlja raztezek, L ter Lo dolžino po porušitvi ter začetno dolžino vzorca.
INSTRON 1255 se uporablja za izvajanje nateznih in tlačnih preizkusov pri sobnih in povišanih temperaturah do 1250 °C ter upogibnih preizkusov do obremenitve 500 kN. 11
15
INSTRON 8802 se uporablja za izvajanje statičnih in dinamičnih preskusov do obremenitve 250 ali 25 kN in hitrosti obremenjevanja do 80 Hz, z ali brez ekstenzometra, pri temperaturah okolice in povišanih temperaturah do 1050 °C, z ali brez vročega ekstenzometra. 11
Napravi INSTRON 1255 ter INSTRON 8802 lahko vidimo na slikah 12 in 13.
Slika 12: INSTRON 125511
Slika 13: INSTRON 880211
16
3.3.2 ANALIZA PRELOMNIH POVRŠIN
Na potrgani vzorcih smo naredili analizo prelomov. S pomočjo svetlobnega mikroskopa smo slikali lomne površine in jih nato opazovali, da bi opazili vrsto loma, potek loma, ter morebitne nepravilnosti, vključke … Meritve so bile izvedene na napravi Olympus SZ61.
3.3.3 METALOGRAFSKA ANALIZA
Na potrganih vzorcih smo opravili metalografsko analizo. Naš namen je s pomočjo priprave površine vzorca ugotoviti obliko ter velikost grafitnih delcev s pomočjo standarda ISO 945-1, ter izgled mikrostrukture. Opazovali smo tudi razmerje ferit – perlit v mikrostrukturi vzorca. Najprej smo po poliranju opazovali grafitne delce, nato po jedkanju pa še matrico. S tem smo preverili ali vzorec res ustreza predpisanim standardom EN-GJS-500-7 ter njegove mehanske lastnosti. Meritve smo izvedli na napravi Olympus BX61. S programsko opremo Analysis5.0 smo analizirali delež ter obliko grafita.
17
4. REZULTATI
Na testnih epruvetah pridobljenih iz Y prob ter ulitkov smo izvedli natezne preizkuse ter analize prelomnih površin in metalografsko analizo. Rezultati so predstavljeni v naslednjih poglavjih.
Končno kemijsko sestavo taline po modifikaciji s silicijem, magnezijem ter cepivom Zircinoc vidimo v tabeli 4.
Tabela 4: Končna kemijska sestava taline (vrednosti v mas. %)
C Si Mn S Cr Cu P Mg Ni Mo V Ti Sn
3,79 2,52 0,21 0,008 0,029 0,044 0,02 0,044 0,021 0,002 0,003 0,010 0,029
4.1 REZULTATI NATEZNIH PREIZKUSOV 4.1.1 PREIZKUŠANCI Y
1800Na sliki 14 vidimo grafični prikaz rezultatov nateznega preizkusa. V tabeli 5 vidimo zbrane rezultate in njihovo povprečno vrednost. Vidimo, da je bila povprečna napetost tečenja 466 MPa, natezna trdnost 740 MPa ter raztezek 4,9 %. Predvidevamo, da bomo tu dobili najvišje mehanske lastnosti ter najmanjši raztezek, saj se je Y1800 hladila najhitreje ker je bila izpostavljena hlajenja na zraku 30 minut po ulivanju taline.
18
Slika 14: Diagram napetost – raztezek vzorca Y1800: preizkušancaa) 1, 2 in b) 3, 4
Tabela 5: Rezultati nateznega preizkusa za vzorec Y1800
Premer do (mm)
Dolžina Lo (mm)
Presek So (mm2)
Napetost tečenja
Rp0,2
(MPa)
Natezna trdnost
Rm (MPa)
Raztezek A (%)
1 15,98 80,00 200,56 506 854 6,4
2 15,99 80,00 200,81 449 688 3,0
3 15,99 80,00 200,81 442 615 2,2
4 15,98 80,00 200,56 465 802 7,9
Povprečna vrednost 466 740 4,9
19
4.1.2 PREIZKUŠANCI Y
VZY probe YVZ so sledile istemu hladilnemu režimu kot serijski ulitki. Grafični prikaz rezultatov nateznega preizkusa vidimo na sliki 15Napaka! Vira sklicevanja ni bilo mogoče najti.. V tabeli 6 vidimo zbrane rezultate in njihovo povprečno vrednost.
Iz rezultatov ugotovimo, da je bila povprečna napetost tečenja 383 MPa, natezna trdnost 649 MPa ter raztezek 7,9 %. Ker so se Y probe YVZ hladile z istim režimom kot serijski ulitki, pričakujemo, da bodo imele podobne vrednosti.
Slika 15: Diagram napetost – raztezek vzorca YVZ: preizkušanca a) 1, 2 in b) 3, 4
20
Tabela 6: Rezultati nateznega preizkusa za vzorec YVZ
Premer do (mm)
Dolžina Lo (mm)
Presek So (mm2)
Napetost tečenja
Rp0,2
(MPa)
Natezna trdnost
Rm (MPa)
Raztezek A (%)
1 16,03 80,00 201,82 400 710 8,8
2 15,98 80,00 200,56 404 705 7,6
3 15,99 80,00 200,81 372 565 3,6
4 15,98 80,00 200,56 354 614 11,5
Povprečna vrednost 383 649 7,9
4.1.3 PREIZKUŠANCI Y
RTNa sliki 16 vidimo grafični prikaz nateznega preizkusa. V tabeli 7 lahko vidimo pridobljene rezultate. Pri drugi meritvi je prišlo do problemov, tako da je bil preizkus ponovljen. V prvem preizkusu se upošteva videna vrednost Rp0,2 , medtem ko iz ponovitve dobimo bolj pravilni Rm.
Vidimo, da je bila povprečna napetost tečenja 335 MPa, natezna trdnost 568 MPa ter raztezek 11,5
%. Opazimo zelo majhen raztres rezultatov, kar pomeni, da smo imeli dobro pripravljene vzorce.
Slika 16: Diagram napetost – raztezek vzorca YRT: preizkušancia) 1, 2, 3 in b) 4, 5
21
Tabela 7: Rezultati nateznega preizkusa za vzorce YRT
Premer do (mm)
Dolžina Lo (mm)
Presek So (mm2)
Napetost tečenja
Rp0,2
(MPa)
Natezna trdnost
Rm (MPa)
Raztezek A (%)
Opomba
1 15,99 80,00 200,81 338 570 10,2 /
2 15,98 80,00 200,56 330 484 0 Samo
Rp0,2
3 15,98 80,00 200,56 479 565 12,7 Samo Rm
4 15,99 80,00 200,81 331 564 13,1 /
5 15,99 80,00 200,81 340 573 10,1 /
Povprečna vrednost 335 568 11,5
4.1.4 PREIZKUŠANCI IZ ULITKOV
Na sliki 17 vidimo grafični prikaz meritev na testnih epruvatah narejenih iz serijskih ulitkov.
Vrednost ter njihova povprečna vrednost so zbrane in predstavljene v tabeli 8.
Razberemo lahko, da je povprečna napetost tečenja vzorcev iz ulitkov 329 MPa, natezna trdnost 556 MPa in raztezek 13,9 %. Iz rezultatov vidimo, da imajo ulitki relativno podobne vrednosti kot meritve na probah YRT, kar je pričakovano, saj naj bi le te predstavljale vrednosti ulitkov in so bile tako rečeno »primerjalna skupina« za ta projekt. Hkrati pa so vrednosti rahlo nižje od meritev YVZ,
saj so le-te prišle iz bobna še žareče, s temperaturo nad evtektoidno premeno, zaradi česar ima po hitrejšem hlajenju mikrostruktura YVZ večjo vsebnost perlita in s tem višje mehanske lastnosti ter manjši raztezek.
Slika 17: Diagram napetost – raztezek za vzorce iz serijskih ulitkov
22
Tabela 8: Rezultati nateznega preizkusa za vzorce iz ulitkov
Premer do (mm)
Dolžina Lo (mm)
Presek So (mm2)
Napetost tečenja
Rp0,2
(MPa)
Natezna trdnost
Rm (MPa)
Raztezek A (%)
Vz. 1 7,94 40,00 49,51 329 547 15,6
Vz. 2 7,94 40,00 49,51 330 554 14,0
Vz. 3 7,94 40,00 49,51 327 577 12,2
Povprečna vrednost 329 556 13,9
4.2 ANALIZA PRELOMNIH POVRŠIN 4.2.1 VZOREC Y
1800Na sliki 18 vidimo prelomne površine vzorca Y1800. Temna območja nam kaže mesto začetka razpoke. Opazimo fino oz. drobno zrnato površino, kar je značilno za mikrostrukturo, ki vsebuje velik delež perlita.
23
Slika 18: Prelomne površine vzorca Y1800: preizkušanec a) 1, b) 2, c) 3 in d) 4
4.2.2 VZOREC Y
VZTemna območja na sliki 19 nam ponovno prikazujejo mesto začetka razpok. Opazna je bolj groba površina v primerjavi s prelomnimi površinami Y1800, kar je smiselno, saj so se te hladile počasneje in posledično vsebujejo manj perlita.
24
Slika 19: Prelomne površine vzorca YVZ: preizkušanec a) 1, b) 2, c) 3 in d) 4
4.2.3 VZOREC Y
RTNa sliki 20, vidimo prelomne površine YRT. Temna mesta pokažejo začetek razpok, površina je ponovno bolj groba v primerjavi Y1800.
25
Slika 20: Prelomne površine vzorca YRT: preizkušanec a) 1, b) 2, c) 3 in d) 4
4.2.4 VZORCI IZ ULITKOV
Na sliki 21 vidimo prelomne površine preizkušancev iz ulitka. Opazimo grobo površino, ni vidnih znakov plastične deformacije.
26
Slika 21: Prelomne površine vzorca iz ulitka: preizkušanec a) 1, b) 2, in c) 3
4.3 METALOGRAFSKA ANALIZA 4.3.1 VZORCI Y
1800Slika 22Napaka! Vira sklicevanja ni bilo mogoče najti.a nam prikazuje porazdelitev grafita v vzorcu. Opazimo, da imamo grafita 9,21 %. V matrici na sliki 22d je viden kroglasti grafit, svetla območja okoli njega predstavljajo ferit, medtem ko temna območja predstavljajo perlit. Na sliki 22b klasificiramo grafit glede na obliko in sicer z rdečo, zeleno in modro barvo, ki pomenijo tipe oblik VI, V in IV. Vidimo, da porazdelitev grafita ni najboljša, medtem ko je velikost delcev relativno enaka. Ni vidnih znakov morebitnih vključkov ali defektov.
Iz slike 22c razberemo, da imamo pretežno perlitno mikrostrukturo. Le tega je 94,5 %, medtem ko je ferita samo 5,5 %.
27
V tabeli 9 vidimo velikostno porazdelitev delcev v mikrostrukturi. Prevladujejo najmanjši delci velikostnega razreda 7 in sicer z 68,2 %.
Slika 22: Metalografska analiza vzorca Y1800: a) porazdelitev grafita, b) barvna klasifikacija grafita, c) mikrostruktura vzorca in d) kroglasti grafit
Tabela 9: Velikostna porazdelitev grafita v vzorcu Y1800
Velikostni razred 5 6 7 skupno Število delcev 5 146 324 475
[%] 1,1 30,7 68,2 100
V tabeli 10 vidimo porazdelitev grafita glede na tip oblike. Vidimo, da prevladuje kot videno že na sliki 22b tip VI.
28
Tabela 10: Porazdelitev ogljika glede na tip oblike v vzorcu Y1800
4.3.2 VZORCI Y
VZVzorci YVZ sledijo istemu ohlajevalnemu režimu kot serijski ulitki. Na sliki 23a vidimo porazdelitev grafita po mikrostrukturi, delež le tega je 10,60 %. Opazimo, da je porazdelitev zelo slaba saj imamo območja skoraj brez grafita, drugje pa območja z zgoščenim grafitom. Vidimo tudi, da imamo nekaj velikih krogel grafita, medtem ko so ostale približno enakih velikosti. Rdeča, zelena in modra barva na sliki 23b ponovno predstavljajo oblikovne razrede VI, V in IV. Ni vidnih znakov morebitnih vključkov ali defektov.
Iz slike 23c razberemo, da mikrostruktura vsebuje 78,48 % perlita in 21,52 % ferita. V tabeli 11 vidimo velikostno porazdelitev grafita v mikrostrukturi. Prevladuje velikostni razred 7 s 66,3 %.
Slika 23: Metalografska analiza vzorca YVZ: a) porazdelitev grafita, b) barvna klasifikacija grafita, c) mikrostruktura vzorca in d) kroglasti grafit
Oblika I II III IV V VI
Delež grafita [%] 0,21 0,64 4,14 4,57 17,97 72,47
29
Tabela 11: Velikostna porazdelitev grafita v vzorcu YVZ
Velikostni razred 5 6 7 Skupno Število delcev 18 142 315 475
[%] 3,78 29,9 66,3 100
V tabeli 12 vidimo razporeditev ogljika glede na tip oblike. Kot že opaženo prevladuje tip VI.
Tabela 12: Porazdelitev ogljika glede na tip oblike v vzorcu YVZ
4.3.3 VZORCI Y
RTNa sliki 24a opazujemo porazdelitev grafita po mikrostrukturi. Vidimo, da je le tega zelo veliko, in sicer 13,12 %. Opazimo enakomerno porazdelitev, prav tako opazimo dokaj so delci dokaj enako velikostno porazdeljeni. Zaradi velika deleža grafita v mikrostrukturi imamo posledično nižje mehanske lastnosti ter večji raztezek. Ni vidnih znakov morebitnih vključkov ali defektov.
Na sliki 24b vidimo barvno porazdelitev glede na obliko, barve ponovno predstavljajo iste tipe oblike. Na sliki 24c vidimo mikrostrukturo vzorca, opazimo, da vsebuje 48,36 % perlita in 51,64
% ferita. V tabeli 13 vidimo porazdelitev grafita glede na velikost delcev, ponovno prevladuje velikostni razred 7 z 69,9 %.
Oblika I II III IV V VI
Delež grafita [%] 0,25 2,87 2,71 8,22 17,85 68,09
30
Slika 24: Metalografska analiza vzorca YRT: a) porazdelitev grafita, b) barvna klasifikacija grafita, c) mikrostruktura vzorca in d) kroglasti grafit
Tabela 13: Velikostna porazdelitev grafita v vzorcu YRT
Velikostni razred 5 6 7 Skupno Število delcev 4 214 507 725
[%] 0,6 29,5 69,9 100
V tabeli 14 imamo prikazano razporeditev ogljika glede na obliko, ponovno prevladuje tip VI.
Tabela 14: Porazdelitev ogljika glede na tip oblike v vzorcu YRT
Oblika I II III IV V VI
Delež grafita [%] 0,04 1,88 2,68 3,62 16,96 74,82
31
4.3.4 VZORCI IZ ULITKOV
Na sliki 25a opazujemo porazdelitev grafita po mikrostrukturi, vidimo, da ga je 11,02 %. Slika 25b nam grafično prikaže porazdelitev grafita glede na obliko. Rdeča, zelena in modra ponovno predstavljajo tipe VI, V in IV. Vidimo, da je grafit po površini še kar enakomerno porazdeljene, medtem, ko je sicer relativno nehomogen. Iz slike 25c ugotovimo, da mikrostruktura vsebuje 39,46
% perlita in 60,54 % ferita. Ni vidnih znakov morebitnih vključkov ali defektov.
Slika 25: Metalografska analiza vzorca iz ulitka: a) porazdelitev grafita, b) barvna klasifikacija grafita, c) mikrostruktura vzorca in d) kroglasti grafit
V tabeli 15 vidimo velikostno porazdelitev grafita. Tudi tu prevladuje velikostni razred 7 s 74,36
%.
32
Tabela 15: Velikostna porazdelitev grafita v vzorcu iz ulitkov Velikostni razred 5 6 7 skupno
Število delcev 4 157 467 628
[%] 0,64 25 74,36 100
Tabela 16 prikazuje porazdelitev grafita glede na tip oblike. Tako kot vsi ostali tudi tu prevladuje tip VI.
Tabela 16: Porazdelitev ogljika glede na tip oblike v vzorcu iz ulitkov
Oblika I II III IV V VI
Delež grafita [%] 0,23 0,58 2,95 2,89 20,79 72,57
33
5. RAZPRAVA
V tabeli 17 so prikazani zbrani povprečni rezultati vseh meritev na ulitkih in Y probah. Kot vidimo so si najbolj podobni rezultati med YRT ter ulitki kar ustreza pričakovanjem, saj je serija zasnovana tako, da Y probe predstavljajo ulitek. Tekom naših preizkusov smo ugotavljali ali bi bilo potrebno hitreje ali počasneje hladiti ulitke, da bi prišlo do željenih mehanskih lastnosti oziroma do ujemanja s tistimi pridobljenimi iz Y prob YRT.
Tabela 17: Primerjava mehanskih lastnosti med vsemi vzorci Rp0,2
(MPa)
Rm (MPa)
A (%)
Y1800 466 740 4,9
YVZ 383 649 7,9
YRT 335 568 11,5
Vz 329 556 13,9
Pri rezultati dobljenih iz ulitkov smo dobili majhen raztres rezultatov. Razlog za to je sreča pri izbiri ulitkov za vzorčenje, saj so bili izbrani iz sredine serije, kar pomeni, da so se hladili nekje na sredini kupa v zbiralni košari, in imajo tako skoraj najdaljše ohlajevalne čase. Tisti na vrhu kupa, so izpostavljeni zraku bolj kot tisti na sredini kupa, kar pomeni, da se hladijo hitreje in imajo tako po končanem hlajenju v mikrostrukturi večjo količino perlita, ki pomeni višje mehanske lastnosti ter nižji raztezek .
Iz tabel 17 in 18 vidimo, da je imel vzorec Y1800 najmanjši delež ferita in posledično najvišje mehanske lastnosti ter najnižji raztezek, kar je smiselno, saj je imeli tudi največjo ohlajevalno hitrost. Njegovo nasprotje so serijski ulitki, ki so z največjim deležem ferita imeli največji raztezek ter manjše mehanske lastnosti.
Tabela 18: Primerjava grafita in mikrostrukture med vsemi vzorci Delež grafita v
mikrostrukturi [%]
Velikost grafita glede na velikostne razrede
[%]
Delež v mikrostrukturi [%]
5 6 7 ferit perlit
Y1800 9,21 1,05 30,74 68,21 5,50 94,50
YVZ 10,60 3,79 29,89 66,32 21,52 78,48
YRT 13,12 0,55 29,52 69,93 51,64 48,35
Vz 11,02 0,64 25,00 74,36 60,53 39,46
34
V tabeli 19 vidimo, da so imeli vsi vzorci relativno podobno porazdelitev glede na obliko grafita, povsod je prevladoval tip oblike VI.
Tabela 19: Primerjava razporeditve grafita glede na obliko med vsemi vzorci
Vzorci YVZ imajo relativno veliko odstopanje od serijskih ulitkov, kljub temu, da so bili izpostavljeni istemu hladilnemu režimu. Razlog za to je, da so ulitki iz bobna prišli s temperaturo pod evtektoidno premeno, medtem ko je bila temperatura YVZ še nad temperaturo evtektoidne premene. Zaradi tega je Y proba nato doživela hitro ohladitev na zraku čez območje premene in ima posledično na koncu večjo vsebnost perlita.
Oblika
Delež grafita [%] I II III IV V VI Y1800 0,21 0,64 4,14 4,57 17,97 72,47
YVZ 0,25 2,87 2,71 8,22 17,85 68,09 YRT 0,04 1,88 2,68 3,62 16,96 74,82 Vz 0,23 0,58 2,95 2,89 20,79 72,57
35
6. ZAKLJUČKI
Opravljali smo analizo mehanskih lastnosti sive litine s kroglastim grafitom na 3 vrstah Y prob, pripravljenih na različne načine. Y1800, ki je bila razformana 30 minut po ulitju taline in se nato hladila na zraku, YVZ, ki je bila razformana 30 minut po ulitju taline in nato sledila istemu hladilnemu režimu kot serijski ulitki ter YRT, ki je ostala v peščeni formi do ohladitve.
Ugotovili smo, da je imela Y1800, ki je imela največjo ohlajevalno hitrost največji delež perlita.
Posledično je imela tudi največji Rm, Rp0,2 in najmanjši A. Delež perlita je bil tako visok, da bi lahko skoraj ustrezala kvalitetnemu standardu NL 800.
Vzorci YVZ so prišli iz bobna še žareči, nad temperaturo evtektoidne premene, medtem ko pridejo serijski ulitki ven s temperaturo pod evtektoidno premeno. Ta razlika v kombinaciji z nadaljnjim hlajenjem na zraku privede do velikih razlik v mehanskih in mikrostrukturnih lastnostih, čeprav je bilo predvideno, da si bodo podobni. Tako imajo YVZ v primerjavi s serijskimi ulitki skoraj še enkrat večjo vsebnost perlita.
Glede na rezultate vidimo, da so si najbolj podobni YRT in serijski ulitki. Kar je smiselno, saj so v industriji Y probe zastavljene tako, da predstavljajo ulitke. Imeli so najmanjši delež perlita in posledično največji raztezek in nižje mehanske lastnosti. Vse znotraj zahtevanega standarda NL 500.
36
7. VIRI IN LITERATURA
1. MRVAR, P. Evtektoidna premena pri sivi litini s kroglastim grafitom : doktorska disertacija. Ljubljana, 2003, 110 str.
2. GUNDLACH, R. B., LOPER, C. R., MORGENSTERN, B. Composition of ductile irons, ductile iron handbook. [s. l.] American Foundry Society, 1993, 67 str.
3. CRAIG, D. B., HORNUNG, M. J., MCCLUHAN, T. K. Metals handbook; vol. 15. Ohio : Metals Park, 1988, 629 str.
4. SPAIĆ, S. Fizikalna metalurgija : Binarni sistemi in metalografija zlitin. Ljubljana : Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, 2000, 365 str.
5. TRBIŽAN, M. Livarstvo : interna skripta. Ljubljana : Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, 1983, 278 str.
6. PELHAN, C. Livarstvo. Ljubljana : izdala fakulteta za rudarstvo, metalurgijo in kemijsko tehnologijo, založila in tiskala Univerzitetna založba v Ljubljani, 1960, 348 str.
7. SMALLMAN, R. E. Modern physical metallurgy. London : Butterworths, 1963, 387 str.
8. XIAO, B., FAN, Z., JIANG, W., XIANG, J., YAN, X. Effect of vibration frequency on primary phase and properties of grey cast iron fabricated by lost foam casting. China Foundry; Research & Development, 2020, vol. 17, no. 1, str. 1-7.
9. MITROVIĆ, D., MEDVED, J., MRVAR, P., STRMOLE, A. Učinek vibracij in lokalne ohlajevalne hitrosti na evtektoidno premeno v sivi litini s kroglastim grafitom. Livarski vestnik, 2013, let. 60, zvz. 2, str. 72-90
10. GAMS, L. et al. Livarski priročnik, Ljubljana : Litostroj, 1960, 338 str.
11. IMT – Laboratorij za mehanske preiskave [online]. Ljubljana. [citirano 13. 8. 2021].
Dostopno na svetovnem spletu: <https://www.imt.si/organizacijske-enote/znanstveno- raziskovalne-organizacijske-enote/odsek-za-kovinske-materiale-in-
tehnologije/laboratorij-za-mehanske-preiskave>.
12. BROWN, B. F., HAWKES, M. F. Kinetics of graphitization in cast iron. American Foundry Society, 1951, 59, str. 181-200
13. LACAZE, J., SERTUCHA, R., CASTRO-ROMAN, M. J. From atom scale to caston: A contemporary monograph on cast iron microstructures [online], Open Archive Toulouse Archive Ouverte, 2021. [citirano: 12. 8. 2021] Dostopno na svetovnem spletu:
<https://oatao.univ-toulouse.fr/26869/>.
14. PAULIN, A. Tehniški metalurški slovar : slovensko-angleško-nemški, Ljubljana, 1995, 727 str.
15. BIDOVEC, J. et al. Metalurški priročnik. Ljubljana : Tehniška založba Slovenije, 1972, 1471 str.
37
16. Ščurić, I. Utjecaj debljine stijenke na mehanička svojstva nodularnog lijeva : diplomsko delo. Zagreb, 2014, 63 str.
17. EKPOM, U., HEINE, R. W. Austenite transformation temperature range in cast irons.
American Foundry Society – Transactions, 1978, vol. 86, str. 281–286.
18. BIZJAK, M.: Preiskava materialov : študijsko gradivo. Ljubljana : Naravoslovnotehniška fakulteta, Katedra za inženirske materiale, 2019, 258 str.
19. TERČELJ, M..: Osnove inženirstva : Materiali, trdnost in dopustne napetosti strojnih delov: študijsko gradivo. Ljubljana : Naravoslovnotehniška fakulteta, Katedra za preoblikovanje materialov, 2018, 604 str.
