METAL 2006 23.-25.5.2005, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
SLITINY ŽELEZA NA VÝFUKOVÁ POTRUBÍ SPALOVACÍCH MOTORŮ FERROUS ALLOYS FOR EXHAUST PIPELINE OF COMBUSTION ENGINES Břetislav Skrbeka,b a
TEDOM, s s.r.o, divize MOTORY, Jablonec nad Nisou,ČR,
[email protected]. b TU v Liberci, katedra materiálu,
[email protected]. Abstrakt Ferrous alloys for exhaust pipeline of combustion engines.The function and loading of parts of combustion products outlet from engineto turboblower of exhaust pipeline of piston combustion engines. Eichelbergerfactor. Example of failures of under designed systems by degradation or by by material overloading and choise of more acceptable solutions.Application examples from flake graphite cast irons to austenitic steel. Nondestructvive diagnostics of material state. Progressive trends. Železné slitiny pro výfukové potrubí spalovacích motorů.Funkce a namáhání výfukovými spalinami a turbodmychadlem výfukového potrubí pístních spalovacích motorů. Eichelbergerův factor. Příklad selhání systémy degradací nebo materiálním přetížením a výběrové návrhy více přijatelných řešení. Aplikace - od litiny s kuličkovým grafitem k austenitické oceli. Nedestructviní diagnostika stavu materiálu. Progresivní trendy.
ÚVOD TEDOM s.r.o., divize MOTORY produkuje hlavně vznětové motory na plyn a alternativní paliva do kogeneračních jednotek a autobusů. Elektronické řízení, limit E3 a výkony nad 200kW jsou samozřejmostí. Před patnácti lety za n. p. LIAZ se vyrábělo mnohonásobně více motorů hlavně pro nákladní automobily, ale s výrazně nižšími požadavky na emise a výkony. Přitom základní rozměry motoru a jeho dílů se podstatně neměnily z titulu minimalizace nákladů na technologii. Proto zvýšené požadavky na užitné vlastnosti stěžejních dílů motoru musely vést většinou přes vhodnější materiál a jeho diagnostiku. Funkce a konstrukce potrubí výfukových potrubí Soubor součástí výfukového systému motorů tvoří výfukové kanály hlav válců, sběrná výfuková potrubí, střední díl výfukového potrubí, turbodmychadlo, katalyzátor s výfukem do atmosféry. Odvádí produkty spalovacího procesu z kompresního prostoru válce. Po rozšíření přeplňovaných vznětových motorů v osmdesátých letech tyto spaliny slouží k pohonu turbodmychadel. Výfuková vedení tak musí mít malou tlakovou a tepelnou ztrátu. Proto turbodmychadlo se umisťuje přímo na střední díl výfukového potrubí. Pro příznivý emisní obraz výfukových plyn je potřebná co největší teplota na katalyzátoru. Snaha o menší prostor zástaveb motorů (těsnější konstrukce) a menší montážní náklady vedou ke sjednocování dílů (střední díl s turbodmychadlem apod. Tradiční řešení (od kategorie osobních vozů po těžké nákladní tahače) vede konstrukce z odlitých dílů, oběžná kola turbodmychadla jako přesné odlitky z žárupevné slitiny, katalyzátor z plechu korozivzdorné feritické oceli. Střední díly a sběrná potrubí musí umožňovat volnou tepelnou dilataci bez nadkritických tepelně
1
METAL 2006 23.-25.5.2005, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ napěťových únavových cyklů. Na obr. 1 a 2 jsou příklady dvou rozdílných konstrukcí středních dílů výfukových potrubí. Konstruktérovi k porovnání vhodnosti materiálu poslouží Eichelbergův faktor EF.
Obr.1. Spodní a boční příruby přivádí spaliny. Příruba turba pro krátké šrouby.
Obr.2. Příruba turba tuhé konstrukce s dlouhými průchozími šrouby. Mechanická pnutí vytvořená při nerovnoměrném ochlazování (nebo bržděných tepelných dilatacích) a ohřevu různých partií jedné součásti, mohou vést k trvalým deformacím za dané 2
METAL 2006 23.-25.5.2005, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ teploty a pak k tepelné únavě. Odolnost vůči tomuto namáhání charakterizuje Eichelbergův faktor EF. EF = Rm×λ/(α×E) [W/m] (1) λ…tepelná vodivost α...koeficient délkové roztažnosti E…modul pružnosti Čím vyšší hodnota EF, tím odolnější materiál vůči tepelné únavě (kokily, hlavy válců, výfuková potrubí, skříně turbodmychadel…). Podíl přeplňovaných motorů pro osobní vozy stoupl ze 40% v r. 2000 na 55% v r.2005. Roční produkce výfukových potrubí zatížených turbodmychadlem se tak blíží v Evropě 8mil.ks. Namáhání Kombinace tepelného a mechanického namáhání doplňuje agresivní účinek opalu a teplotní koroze dalšími produkty spalovacího procesu, která může být extrémní u plynových motorů. Oxidace nelegované litiny začíná při 450oC. Při 500oC je dvakrát rychlejší, při 600oC již osmkrát jak při 550oC. Vrstva oxidů nechrání - je porézní, praská teplotními cykly, tvoří potenciální nebezpečí pro životnost turbodmychadla a katalyzátoru. Ztenčuje stěnu a šíří se podél útvarů grafitu. Litina s lupínkovým grafitem (propojením lupínků korozí) je proto náchylná k „vnitřní„ oxidaci. Okolo 700oC grafit oxiduje a na jeho místě zůstávají korozní produkty. Zvětšuje jejich vrubový účinek. Ze dvou stran se ztenčují vnitřní přepážky středních dílů potrubí – obr.3. Když se tato přepážka nalézá mezi pevnými přírubami, trpí teplotně napěťovými cykly a časem se „přetrhne“. Přetržení vnitřní přepážky vycházející do vnějších stěn indikovaný kapilární zkouškou ukazuje obr.2.
Obr.3. Korozí o 30% zeslabená prasklá přepážka středního dílu výfukového potrubí. Nízké legování Cr, Ni, Mn, Cu příliš nepomáhá. Proti oxidaci při 650oC působí vyšší obsahy Al, Si, Cr. Tepelnými cykly se může měnit struktura. Perlit se rozkládá na ferit a grafit při teplotách nad 600oC. Tuto změnu doprovází rozměrový nárůst se všemi doprovodnými účinky. V případě vysokolegovaných struktur přichází za vysokých teplot v úvahu vznik intermetalických fází.. Mechanické zatížení přichází od zavěšených dílů – turbodmychadla apod. Významných hodnot dosahuje při jeho velkém vyložení. Provozní dynamické zatížení od vibrací i vysokých frekvencí (otáčky turbodm.)ovlivňují životnost. Tepelněmechanická namáhání souvisí s tepelnými cykly. Pnutí při ohřevu má tlakový charakter a při ochlazování tahový. Pokud jejich hodnota překonává elastickou oblast zatížení,
3
METAL 2006 23.-25.5.2005, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ dochází česem k tepelné únavě a porušení. Důležitější než hodnota meze pevnosti Rm je mez kluzu Re, lépe pružnosti RE za provozní teploty dosazovat do vzorce (1). Vývoj materiálu V průběhu 70-tých let dominujícím materiálem na díly výfukových systémů byly litiny s lupínkovým grafitem (LLG). Nelegovaná LLG má omezení aplikací do 450 až 550oC vlivem rozpadu struktury perlitu a vnitřní oxidaci. Feritická nelegovaná litina s kuličkovým grafitem (ČSN 42 2304) má provozní teploty do 650o C. Strukturu má stabilní bez vnitřní oxidace. Nad tuto mez však životnost dílů výfuků omezuje plošná oxidace (viz.obr 2.). Oxidaci při této mezi podstatně omezuje vysoký obsah Si (z 2% na 6% desetkrát). S obsahem Si roste teplota TA přeměny na austenit TAmin =29×Si+693 TAmax =28×28+805 [ oC] (3;2) Roste stabilita struktury. Široké pásmo TA souvisí s různou přítomností dalších prvků. Například prvky Mn, Mo podporující chemickou segregaci v rámci eutektických buněk působí vyšší koncentrace Si v jejich centru a ochuzení hranic o Si. Přeměna ferit-austenit tedy proběhne v rámci jedné buňky v širokém intervalu teplot, naposledy v jejich centru – při vyšší teplotě TA než při rovnoměrném rozložení Si v buňce. Při stejném obsahu Si a C struktura LKG s nízkým počtem větších kuliček grafitu začíná přeměnu ferit-austenit při nižší teplotě jak struktura s jemně vyloučeným kuličkovým grafitem. S obsahem Si roste pevnost (tuhý roztok Si ve Fe) matrice LKG i za vyšších teplot. Příliš nestoupá však mez tečení. Její hodnotu výrazně zvyšuje obsah Mo do 1%. Za 700oC tak po 1000h a při 4%Si vzroste Rm z 9MPa přísadou 1%Mo na 22MPa. Mo dále zvyšuje odolnost vůči oxidaci. Byla vyvinuta řada LKG typu GJS-SiMo a později řada litin s červíkovým grafitem GJV-SiMo. Těmto litinám (LČG) přísluší ještě větší tepelná vodivost a nižší modul E. Vyšší hodnota EF (1) ukazuje na jejich vyšší odolnost vůči teplotním cyklům jak LKG stejného chemického složení. Příliš vysoké obsahy Si (nad 5% ) zhoršují slévatelnost. Vysoké obsahy Mo působí mikroředinatost, křehkost vlivem intenzivní segregace Mo (stabilní karbidy Mo po hranicích). Příznivě vůči těmto jevům působí přídavek 1%Ni a vysokoteplotní žíhání. Horní mez aplikací litin typu SiMo je dána zmiňovanou teplotou přeměny TA. Je spojena s výraznou dilatací, zejména nárůstem při snižování teplot.V austenitické formě ztrácí odolnost vůči oxidaci. Částečky SiO2 (produkt oxidace) intenzivně poškozují turbodmychadlo a katalyzátor…Horní mez aplikací se předpokládá 800oC. Pro vyšší teploty musí být nasazovány bezpřeměnové austenitické litiny a oceli. Litiny typu NIRESIST. Podmínkou austenitické matrice litin je minimální obsah Ni 20%. Normovány jsou pod EN13835. Legování Cr zlepšuje mez tečení a křehkolomové vlastnosti. Obsah Si dále podporuje u těchto litin odolnost vůči opalu. V rozsahu 800-1000oC se vytváří hutné a přilnavé oxidické vrstvy. Vyšší nároky jsou kladeny na metalurgickou a slévárenskou výrobu i zpracování odlitků. Diagnostika litin Současný stav nedestruktivní diagnostiky popisovaného materiálu výfukových soustav vyvíjené v TU a aplikované v TEDOM umožňuje: a) spolehlivou přejímku dodávaných polotvarů [1] b) ověření shody matriálu dílců na zkompletovaných sestavách motorů [2] c) stanovit stupeň degradace dílů provozovaných nebo reklamovaných výfukových sestav [3,4]. Využíváme magnetických a ultrazvukových diagnostických metod vyvíjených v rámci VZ a grantu AV. Příspěvek tak byl vypracován s podporou projektu 1QS100100508 podporovaného AVČR a výzkumného záměru MSM 4674788501.
4
METAL 2006 23.-25.5.2005, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Literatura: V příspěvku využity výsledky interních zpráv TEDOM, TU KM a rešerší periodika GIESSEREI-PRAXIS „Guss fur Motorenbau“ 2002. [1] Skrbek, B.: Shodnost litiny v odlitku s deklarací tavebním atestem a stanovení grafitu v litině. Slévárenství 2003, vol.51, no. 10, 400-405, ISSN 0037-6825 [2] SKRBEK, B. Bezdemontážní magnetická diagnostika strukturní matrice litinových součástí. TechMat . Konference Univerzita Pardubice listopad 2OO4, sborník, s. 1114..ISBN80-7194-707-5 [3] Pavel Novotný, Břetislav Skrbek a Lukáš Vokurka. Lokální diagnostika austenitických ventilových ocelí. In Proceedings of 33rd International Conference Defektoskopie 2003 Praha: Czech Society for NDT, 2003, p.165-169, ISBN 80-214-2499-0 [4] Břetislav Skrbek, Michal Flanderka. Vliv žíhání na ultrazvukovou kontrolu litinových odlitků. (Effect of annealing on ultrasound checking of cast iron castings). In 42. Slévárenské dny. Brno : VUT FSI Brno, 2005, p.19, ISBN 80-214-2967-4
5
