$æôì]¡ôñðíæfïðôõ¡ñóð¡ïæåæôõóöìõê÷ïq¡ûìðöæïq¡îâõæóê]íö ´¸¯¡îæûêï]óðåïq¡ìðïçæóæïäæ¡ÆÇÈÇÍÖÑÕÍÑÒËÇ¢´²²¹ Ñóâé⡸¯¡®¡º¯¡²²¯¡³±±¸
NEDESTRUKTIVNÍ STRUKTUROSKOPIE SLOŽITÝCH AUTOMOBILNÍCH LITINOVÝCH ODLITK B etislav Skrbek TU Liberec, TEDOM Jablonec. Abstract Barrier strength of cylinders from various periods. This thesis deals with barrier strength of engines from various periods which the firm TEDOM s.r.o. produces presently. In the thesis, the data from the previous expert’s reports are processed. The data are completed from destructive and non-destructive measuring. The processes of tensile tests on samples of cylinder barriers are written down with help of laser extensometer. Nondestructive investigation of structural mechanical features was carried out by the usage of method of magnetic pole with instrument DOMENA. Established values of structural mechanical features are evaluated from the point of time and they are discussed. 1. ÚVOD Pedm tem zkoumání jsou meziválcové pepážky spalovacího motoru, který prošel v pr!b hu své existence mnoha obm nami, a" již v souvislosti s použitím #i následnými zm nami organizací. Motor je používán jako hnací jednotka v nákladních automobilech a autobusech, nebo jsou nyní tyto motory využívány jako zdroje v kogenera#ních jednotkách.V souvislosti se zm nami na trhu po roce 1989 s nákladními automobily došlo v pr!b hu n kolika let k výraznému poklesu produkce s následnou obm nou organizací od národního podniku LIAZ až po sou#asnou spole#nost TEDOM s.r.o., která motory dále produkuje. Vzn tový motor jako takový se skládá z mnoha sou#ástí, mezi kterými mají podstatnou roli kovové díly vyrobené z polotovaru od hutí a sléváren. Jednou z nejd!ležit jších #ástí je samotný blok válc! (cca 400kg), který tvoí nosnou #ást motoru a s ohledem na mechanické vlastnosti v jednotlivých jeho #ástí do zna#né míry ovliv$uje životnost a spolehlivost motoru jako celku. Odlitek bloku je relativn tenkost nný (6 až 50mm) a krystaliza#ní pom ry pi tuhnutí ve form jsou pom rn složité. Z tohoto d!vodu nelze na mechanické vlastnosti v jednotlivých partiích usuzovat jen z materiálového listu píslušné normy. Užitné vlastnosti a životnost bloku mají výkyvy. Závisí na mnoha faktorech, kdy sou#asný výskyt více nepíznivých odchylek m!že zp!sobit extrémní vybo#ení vlastností bloku motoru. Z pedchozích poznatk! a jednotlivých pedešlých výzkum! se jako zatím strukturn nejcitliv jší na odchylky v metalurgii litiny projevují vnitní meziválcové pepážky, kterými se tato práce dále zabývá. K mapování vlastností litiny v #ase i vybraných míst blok! válc! nedestruktivní cestou lze použít pouze prostedk! fyzikální strukturoskopie - metod UT a MT. Získané souvislosti s výrobními vstupy vedly k výraznému zkvalitn ní produkce blok! válc!.. Pedm tem šetení byly stovky blok! válc! z období 1971 – 2006! Vzhledem k mimoádn velkému rozsahu p!vodní práce [1] nezbytné zestru#n ní je na úkor pehledu.
ÆÇÈÇÍÖÑÕÍÑÒËÇ´²²¹¢
¢
±±¶
2. NYNÍ PLATNÝ PEDPIS PRO BLOKY M4209 Blok válc M4209, litina s lupínkovým grafitem SN 42 2425, tvrdost m !ena na desce hlav 180-240HB; Rm min. 250MPa, Eo 125GPa. St!ední legování 0,22Cu; 0,22Ni; 0,3Cr. 3. PODMÍNKY M ENÍ OBECNÝ POSTUP PI STANOVENÍ STRUKTUN MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ 1.Zkalibrovat Doménu na cejchovní kámen Mc=180 nebo Mc=200.Závisí, který kámen je k dispozici. 2.P!ístrojem Doména 2 nebo 3 zm !it v p!íslušném míst veli"inu intenzity zbytkového magnetizmu Mi [-]. 3.Dle etalonové hodnoty Mc stanovit p!evodní koeficient K1 mezi Remagem a Doménou (rovnice 23). 4.Výpo"et korigované hodnoty Mki ze vztahu (24). 5.Korigovat hodnotu Mki na tlouš#ku st ny Mksi dle vztahu (25). 6.Výpo"et modulu pružnosti Eo podle vztahu (17). Na stanovení zdánlivé tlouš#ky st ny Lu použít digitální defektoskop DIO 562 nebo ultrazvukový tlouš#kom r DC 2000. Skute"nou tlouš#ku L zm !it posuvným m !ítkem.
K1 $
Mc 180 $ $ 2,88 K 62,5
23!
"-#
Mc $ 180,200 K $ 62,5
Mki $
Mi K1
24! "-#
Mksi $
Mki 81 & L-2,91 % 1
25! "-#
7.Výpo"et tvrdosti dle vztahu (16, 20, 21). 8.Výpo"et pevnosti dle vztahu (18, 22). 9.Výpo"et množství feritu ve struktu!e (19). Aby se m !ení nemuselo u blok$ starších r.1995 opakovat byla provedena zp tná korekce. Zp tná korekce spo"ívá vtom, že po skon"ení m !ení na daném bloku se op tovn provede m !ení na etalonový kámen a teprve z této hodnoty se spo"ítá p!evodní koeficient mezi Remagem (p!ístroj používaný 1981-1994) a Doménou K1. Hodnota Lu byla m !ena ultrazvukovým tlouš#kom rem DIGICHECK 2000DC 2000B s natavením rychlostí zvuku 5925m/s. 3.1. POUŽITÉ VZTAHY Individuální p!ístup byl zvolen u blok$, které byly prom !eny v rámci diplomové práce. Hn dou barvou jsou ozna"eny tvrdosti, protože jsou po"ítány z korigovaného vztahu (20). Tato rovnice byla získána ze závislosti tvrdosti HBP – Mks (viz. Obr.3) lineární regresí z velmi malého po"tu vzork$ a je nutné je takto vnímat.Vztah je použit z toho d$vodu, že pro daný (malý) po"et m !ení dává lepší výsledky než vztah (16). HB $ 2,57 & Mks % 98,1
L ) , Eo $ * 437,79 & ' Lu ( + ³³¹¡¡
2
"-#
16 !
"GPa #
17 !
F $ 145 - 2,8 & Mks
HB $ 2,16 & Mks % 99,27
"%#
"-#
19 !
20 !
ÆÇÈÇÍÖÑÕÍÑÒËÇ´²²¹
MPa ! "18%
Rm $ 234 - 1,66 # F
-!
"21%
MPa !
"22%
HB $ 0,599 # Mks & 133,47
2 , 278 * 3 L 0 Rm $ 1,37 # +7,211 # 1 . # HB 0,75 ( ' 72,5 2 Lu / () +,
Vztah (20) je uren za pomoci lineární regrese programem Microsoft Excel. 3.1.1. KORIGOVANÝ VZTAH PRO VÝPOET TVRDOSTI BLOKU M !ení tvrdosti probíhala kladívkem Poldi HBP na výkresem p!edepsaném míst tj. v hlavové partii mezi t!etím, tvrtým válcem a navíc z d"vodu vysoké tvrdosti byly u n kterých blok" ov !eny tvrdosti bok" ložiskové partie pro uložení klikového h!ídele.Tímto zp"sobem vzniklo 16 hodnot (viz. Tab. 017) ze kterých je urena korigovaná rovnice (20). TAB. 017 NAMENÉ HODNOTY HBP A Mks
9 10 11 12 13 14 15 16 8 7 6 5 4 3 2 1 Poet m. HBP 184 191 198 209 209 211 216 220 222 224 224 226 228 234 239 261 Mks 38 49 45 54 54 52 50 56 53 52 60 62 60 58 64 72 HB 182 205 197 215 215 212 207 219 214 213 229 234 230 225 237 256
Hodnoty HB jsou poítány již ze vztahu (20).
260.00
y = 2,16x + 99,27 R2 = 0,8616
250.00
230.00
240.00
220.00 210.00 200.00 190.00 180.00 170.00 35
38
41
44
47
50
53
56
59
62
65
68
71
74
OBR. 3 - ZÁVISLOST TVRDOSTI HBP - Mks
POZN: U všech blok , které byly v této práci zkoumány jsou poítány hodnoty tvrdosti z rovnice (20). Absolutní hodnota korelace K>0,9. ÆÇÈÇÍÖÑÕÍÑÒËÇ´²²¹¢
¢
±±¸
3.2. MENÁ MÍSTA BLOKU MOTORU
OBR. 1 MENÁ MÍSTA NA BLOKU MOTORU
Na obrázku 1 a 2 jsou znázornna místa, která byla podrobena zkoumání.U modelu M4209 byla p ístrojem Domena m ena p epážka 3/4 a hlavová partie mezi t etím a !tvrtým válcem.Válcové p epážky byly m eny na dvou místech tsn nad otvory pro chladící medium a to na stran blíže výmníku a stran protilehlé blíže k vývrtu pro va!kový h ídel. Model M4209 (nízkolegovaná GJL) nemá stejné uspo ádání jako na obrázku 2 znázornný model M3341/2, a proto nelze m it stna výmníku. Místo výmníku je prom ena oblast uložení pro klikovou h ídel, bok ložiska a pravá !i levá spodní !ást ložiska. P i m ení meziválcových p epážek je snahou zaznamenat rozdíly ve strukturn mechanických vlastnostech v samotné p epážce mezi va!kovým h ídelem a výmníkem. Pro rozpoznání jsou p epážky m eny v !ásti blíže k va!ce indexovány !íslem 1 a blíže k výmníku !íslem 2 (viz. OBR. 1).
OBR.4- DIGICHECK 2000 DC 2000B
³´±¡¡
ÆÇÈÇÍÖÑÕÍÑÒËÇ´²²¹
Obr.2 -MODEL M3341/II
V1,V2,V3……..poadí válc
nabíhá vždy od rozvod
Indexu 1 písluší ozna!ení spodní !ásti ložiska vlevo pi pohledu od rozvod motoru. Indexu 2 spodní !ást na pravé stran" (viz. OBR. 1, 2). 3.3. POUŽITÉ PÍSTROJE 1. DOMENA B3 , FIRMA ELKOSO Brno, SONDA M.
Pístroj doména slouží k zjiš#ováni intenzity zbytkového magnetického pole Mi, popípad" lze pímo ode!ítat tvrdost pi správném nastavení konstant A,B. ULTRAZVUK DIO 562, STARMANS Praha s dvojitou sondou 5MHz
Tento pístroj slouží ke zjiš#ování modulu pružnosti na základ" pom"ru mezi skute!nou tlouš#kou st"ny L a zdánlivou Lu. 3. ULTRAZVUKOVÝ TLOUŠKOM R DIGICHECK 2000 DC 2000B, PTS Solna! Ostrava. Pro m"ení tlouš#ky st"n v terénu je tento pístroj (viz.OBR.4) výhodn"jší, nebo# je snadn"jší na obsluhu je kompaktn"jší a výsledky se ukazují samostatn" na digitálním display. Rychlost šíení zvuku lze nastavit mezi 1000-9999 m/s a m"ící rozsah standardní sondy PT-08 5 MHz je 1 až 200 mm. Pístroj je napájen dv"mi alkalickými tužkovými bateriemi 1,5 V a v!etn" baterií je jeho hmotnost pouhých 150 g. Pístroj je kalibrován na pístrojové m"rce tlouš#ky 4mm s pednastavenou rychlostí šíení zvuku 5925 m/s.
ÆÇÈÇÍÖÑÕÍÑÒËÇ´²²¹¢
¢
±²°
4. POLDI KLADÍVKO,POROVNÁVACÍ TYKA, LUPA, TABULKY 5. POSUVNÉ M !ÍTKO .
4. NAMENÉ A VYPO TENÉ HODNOTY P"íklad jedné ze stovek tabulek výsledk# m$"ení pro konkrétní blok válc#:
Vypo!tené hodnoty
Nam ené h.
Mc=200 TAB.001 M1 DOMENA 3 M2 DOMENA 3 Lu1 [mm] Lu2 [mm] L1 [mm] L2 [mm] Mk1 [-] Mk2 [-] Mks1 [-] Mks2 [-] Tvrdost Poldi Eo1[Gpa] Eo2 [Gpa] HB1 HB2 Rm1 [Mpa] Rm2 [Mpa] F1 [ % ] F2 [ % ]
Pepážka 3/4 170,00 176,00 11,63 11,36 9,35 9,20 53,13 55,00 47,38 48,80
123,81 125,62 201,62 204,68 248,85 257,89 12,33 8,36
0,0000
Ložisko 7 220,00 212,00
68,75 66,25
Hlava
bok 7 232,00
1/2 0,0000
3/4 208,00
67,00
23,00
55,70
18,70
72,50
65,00
72,45
63,97
260,50 132,46
239,00 126,69
255,76
237,44
342,32
300,43
0,00
0,00
5. HODNOCENÍ VLASTNOSTÍ V PEPÁŽKÁCH VÁLC! Názorn uveden jeden z díl ích poznatk!. Na obrázku 5 je znázornn sloupcový graf, kde bylo snahou graficky popsat zvyšování pevnosti p"epážek od roku 1971 až do sou asné doby po celé délce bloku motoru. Pro posouzení velikosti jsou nkteré hodnoty íseln vyobrazeny. Z obrázku jasn vyplývá, že v pr!bhu let docházelo ke zvyšování pevnosti p"epážek. Jak je patrné do roku 1986 docházelo k plynulému zvyšování pevnosti. Po tomto roce dochází ke stagnaci až mírnému propadu. Tento stav trvá do roku 1993, kdy lze na sloupcovém grafu v tomto roce zaznamenat skokové zvýšení pevnosti. Po tomto roce dochází k mírným výchylkám až po maximum v roce 2006. Faktory, které zp!sobovaly výkyvy vlastností p"epážek v jednotlivých letech budou dále diskutovány. Pohled na stejnou vc pod jiným úhlem p"edkládá obr. 050 - píloha 52, kde je vyjád"ena dvojrozmrná struktura ze st"edních hodnot (HB,Eo) p"epážek daných blok! v souvislosti s rokem výroby. Obr. 050 bude též dále diskutován v kapitole 4.1.2. ³´³¡¡
ÆÇÈÇÍÖÑÕÍÑÒËÇ´²²¹
Pevnost p epážek válc! motoru v ase Rm [MPa] 350.00 300.00
273 252
250.00
189
197 226
273
239 209
232 200
249
194 205
215
200.00 234
224
150.00
199
207 199
100.00
230
238
194
142 178
186 197
50.00
Rm 5/6 Rm 4/5 Rm 3/4 Rm 1/2
2006
2004
2003
Rm 2/3 2000
1998
1993
1995
1992
1989
1991
1987
1988
1986
1984
1971
1982
0.00
as [rok]
OBR.5 PEVNOST PEPÁŽEK VÁLC MOTORU V R ZNÉM OBDOBÍ. 6. ZÁVRY Na základ analýz a skute ností zjištných v práci [1] lze vyslovit následující závry: !Provedené konstruk!ní a technologické zm"ny od roku 1971 po sou!asnost byly v globálním m"#ítku velkým p#ínosem pro všechny zkoumané oblasti, zejména pak pro oblast meziválcových p#epážek u kterých hodnoty pevnosti vzrostly až na dvojnásobek. !Za kritické místo pro obráb"ní a to jak z historického tak sou!asného pohledu lze považovat partii ložisek klikové h#ídele, kde tekutá litina tuhne již s minimální pr$to!ností a vykazuje proto nejvyšší tvrdost. !Hodnoty pevností získané pomocí destruktivní (platí pro litiny %SN 422425) a nedestruktivní diagnostiky jsou tém"# shodné. Z experimentálních vztah$ tedy lze p#ibližn" usuzovat na absolutní hodnoty pevností v daném míst" odlitku. !Sou!asné kontrolní místo kvality litiny bloku na desce sezení hlav válc$ se ukazuje jako nedostate!né. Nelze spolehliv" usuzovat na kolísání strukturn"-mechanických vlastností v odlitku. !Rozptyl strukturn"-mechanických vlastností vnit#ních st"n (p#epážek) je vyšší v základní kovové hmot" (ferit, perlit). !P#es výrazné zlepšení strukturn"-mechanických vlastností p#epážek je stále nutné považovat tyto oblasti za kritická místa bloku motoru. !Strukturn"-mechanické vlastnosti p#epážek v p#í!ném sm"ru jsou odlišné. !Legování 0,6% Cu a 0,3% Cu; 0,15% (Cr Ni) vede k vysoké tvrdosti ložisek, ale vyrovnanosti vlastností míst HLAVA-PEPÁŽKA-LOŽISKO. Po prostudování jednotlivých expertíz a na základ zjištných skute ností, proto navrhuji:
ÆÇÈÇÍÖÑÕÍÑÒËÇ´²²¹¢
¢
±²²
!
Co nejdíve aplikovat ucelený systém kontroly jakosti bloku motoru pímo ve slévárn FEREX, nebo! m ení POLDI kladívkem na hlavové desce nepináší dostate"ný popis pro hodnocení kvality bloku motoru. Je nutno nasadit nedestruktivní zmapování struktury v partiích, které svými vlastnostmi lépe vystihnou jakost bloku. M ení provád t na každém bloku ve stední partii pepážek 3/4. Pro kontrolu z hlediska obrobitelnosti na každém pátém bloku prom it první bok ložisek. Pro m ení je zapotebí aplikovat kombinovanou kontrolní metodu ultrazvukovým tlouš!kom rem a bodového magnetického pólu pístrojem DOMENA.Ultrazvukový tlouš!kom r DIO 562 má slévárna k dispozici a není tak nutné investovat finan"ní zdroje do nákupu tohoto zaízení. Na pístroj Domena je nutno zajistit volné finan"ní zdroje (Domena B3.b s nabíje"em akumulátor# 73 350,- K" bez DPH – cena platná v roce 2002). Zavedení a následná kontrolní "innost vyžaduje zodpov dný pístup pracovník# zejména pi m ení skute"né /L/ a zdánlivé /Lu/ tlouš!ky st ny. Aby byly eliminovány chyby pracovník# (ve výpo"tech) pedkládám na CD v souboru s názvem „Výpo"et vlastností.xls“ tabulku s návrhem pro zadávání /L, M, Lu/ a výpo"et hodnot /HB, Eo, Rm, F/.
!
Pro optimalizaci obráb ní navrhuji provád t legování 0,3%Cu 0,15%Ni, které nepipustí maxima HB a dávají pom rn vysoké hodnoty pevnosti v pepážkách. Pro ov ení této skute"nosti provést m ení alespo$ na dvaceti takto odlitých blocích.
!
Vzhledem k tomu, že se tato práce nezabývala souvislostmi mezi dosahovanými strukturn -mechanickými vlastnostmi v pepážkách a vstupními parametry (chemickým složením), navrhuji provést hloubkové profilování s cílem odhalit pí"iny zna"ných rozptyl# vlastností mezi jednotlivými bloky motoru s ohledem na chemické složení.
Písp vek vznikl za podpory výzkumného zám ru MSM4674788501 a project Academy of Sciences of Czech Republic no.1QS100100508.
Literatura: [1] %ezá" Zden k. Pevnost pepážek blok# válc# motoru z r#zných období. Diplomová práce TU Liberec, KMT 220, leden 2007.
³´µ¡¡
ÆÇÈÇÍÖÑÕÍÑÒËÇ´²²¹
