© Strojni{ki vestnik 47(2001)9,575-578 © Journal of Mechanical Engineering 47(2001)9,575-578 ISSN 0039-2480 ISSN 0039-2480 UDK 621.74.043:620.18:669.71 UDC 621.74.043:620.18:669.71 Strokovni ~lanek (1.04) Speciality paper (1.04) Analiza po{kodb na povr{ini orodja za tla~no litje nosilca iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3 Damage Analysis on the Surface of Die Casting Die of Girder Made by Aluminium Alloy of AlSi9Cu3 Borut Kosec - Ladislav Kosec - Janez Kopa~ - Anton [krinjar Na delovni površini orodja za tlačno litje nosilca iz zlitine AlSi9Cu3 so po manj ko tisoč ulitkih nastale razpoke, katerih odtisi se poznajo tudi na ulitkih. Razpoke so bile odkrite in identificirane s penetranti, vidne pa so tudi že s povečevalnim steklom in nekatere celo s prostim očesom. Detajlno pa smo jih analizirali z neporusno metalografsko preiskavo z metodo replik. © 2001 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: orodje livarska, litje tlačno, zlitine Al, analize poškodb) On the surface of a casting die surface cracks appeared after less than one thousand casting cycles and caused in imprints on AlSi9Cu3 aluminium alloy girder castings. The cracks were revealed and identified by the use of penetrants. They were clearly seen by the use of a magnifying glass and some of them even by the unaided eye. They were analysed in detail by the nondestructive metallographic examination by replicas method. © 2001 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: die casting dies, aluminium alloys, damage analysis) 0 UVOD Na aktivni delovni površini orodja za tlačno litje nosilca (sl. 1) iz zlitine AlSi9Cu3 so po manj ko tisoč ulitkih nastale v prehodih med dvema ravninama stene kalupa razpoke, katerih odtisi se poznajo na ulitkih. Razpoke na kalupu so bile odkrite in identificirane z uporabo penetrantov (sl. 1), vidne pa so tudi že s povečevalnim steklom, nekatere pa celo s prostim očesom. Jeklo, iz katerega je izdelano orodje, je med najbolj pogostimi in upoštevanimi materiali za te vrste orodij. To je orodno jeklo za delo v vročem BOEHLER W300 ISODISC ([1], [2]), ki po svoji sestavi ustreza jeklu H11 po standardu ASTM [3], jeklu X40CrMoV5-1 [4] po DIN oziroma po tovarniški oznaki domačega proizvajalca Metal d.o.o., Ravne na Koroškem jeklu Utop Mo1 [5]. 1 EKSPERIMENTALNO DELO Dostopne, konveksne dele zadnjega kalupa orodja, ki smo jih očistili z brusnimi papirji drobne granulacije (več od 500) in spolirali z diamantno pasto, smo pregledali z optičnim mikroskopom. Na teh mestih smo lahko s površine vzeli odtise s polimernimi folijami [6]. Vanje se odtisnejo tudi tako drobni detajli površine, kakršne so sestavine mikrostrukture. Odtisi omogočajo posredno opazovanje površine tako z optičnim kakor tudi z elektronskim mikroskopom (EM). Ta ima veliko globinsko ostrino in omogoča prostorsko sliko objekta. Mesta v krivini, kjer so nastale prve dolge razpoke, niso dostopna za poliranje s strojem, niti za opazovanje z mikroskopom. Konveksne oziroma večje ravne površine kalupa, ki smo jih lahko pripravili za opazovanje, so označene na sliki 1. Preglednica 1. Kemična sestava jekla BOEHLER W300 ISODISC (v m. %) [2] C Si Mn Cr Mo V 0,38 1,1 0,4 5,0 1,3 0,4 | IgfinHŽslbJlIMlIgiCšD I stran 575 glTMDDC B. Kosec - L. Kosec - J. Kopa~ - A. [krinjar: Analiza Po{kodb - Damage Analysis Sl. 1. Površina zadnjega dela orodja za tlačno litje nosilca z označenimi mesti, ki smo jih pripravili za opazovanje po preiskavi s penetranti Sl. 2. Površina orodja na polju 5; spremembe zaradi EEO; levo 50-kratna povečava, desno 200-kratna povečava Sl. 3. Mikrostruktura na površini na polju 1; popusčeni martenzit; 200-kratna povečava Površini 5 in 6 nista aktivni delovni površini kalupa. da je bila površina elektroerozijsko obdelana, so to Pregledali smo ju zato, da bi ugotovili, po katerem od lahko ostanki neodstranjenih “kraterjev”. Prav gotovo običajnih obdelovalnih postopkov je bilo orodje pa te jamice niso navaden ali pogost pojav na izdelano. Po obliki površine in mikrostrukturi jekla na delovnih površinah orodij. površinah 5 (sl. 2) in 6 lahko sklepamo, da je bil kalup Na polju 1 (sl. 3) so najverjetneje z uporabo izdelan z elektroerozijsko obdelavo (EEO). Na teh elektroerozije vrezani podatki o orodju, materialu delih površine so področja t.i. bele plasti in neravna obdelovanca, ipd.. Obrisi črk, številk in znakov so lepo reliefna površina s “kraterji”. zaokroženi. Na mnogih mestih iz teh znakov začenjajo Če je bil tudi aktivni del površine kalupa razpoke, ki jih po obliki in načinu širjenja pripisujemo oblikovan z elektroerozijsko obdelavo, potem je bila t.i. toplotni utrujenosti [7]. Najkrajše razpoke so dolge s konveksnih delov orodja odstranjena plast jekla, okoli 20 mm, najdaljše pa blizu 200 mm (sl. 4 in 5). prizadetega zaradi tega načina obdelave. Jamicam na V primeru, da je bil aktivni del kalupa izdelan teh površinah ne vemo zanesljivega izvora. V primeru, z EEO, je bilo treba z vse površine odstraniti ^BSfiTTMlliC | stran 576 B. Kosec - L. Kosec - J. Kopa~ - A. [krinjar: Analiza Po{kodb - Damage Analysis Sl. 4. Površinske razpoke in jamičasta površina na polju 1 ob oznakah; levo 50-kratna in desno 100- kratna povečava Sl. 5. Razpoka na površini ob oznaki na polju 1; EM; 200-kratna povečava poškodbe, ki pri taki obdelavi nastanejo v jeklu. Na konveksnih in ravnih delih to ni težko, težko pa je na konkavnih površinah oziroma kanalih, kjer se učinek tudi zelo težko nadzira. Če so na teh kritičnih mestih v prehodih ostali še ostanki zaradi elektroerozije poškodovanega jekla, se iz njih zelo hitro razvijejo poškodbe v obliki razpok. Za to lahko najdemo v strokovni literaturi zelo resna opozorila ([8] in [9]). Razpoke iz oznak se najverjetneje prav tako razvijejo iz napak, nastalih pri njihovi izdelavi z elektroerozijo. Te razpoke bodo zelo hitro napredovale in bo prišlo v njihovi okolici do t.i. toplotnega razpokanja v obliki mreže [10]. 2 SKLEP Poškodbe orodij za tlačno litje aluminijevih zlitin so najpogosteje v obliki velikih razpok, toplotnega razpokanja, razpokanja v ogljiščih, ostrih prehodih ali robovih in zaradi obrabe ali erozije. Za prve tri primere so odločilne napetosti, katerih viri so v načrtovanju in izdelovalnih tehnologijah ter v delovnih razmerah. Od naštetih štirih najbolj pogostih vrst poškodb bi poškodbe, opažene na preiskanem zadnjem kalupu orodja za tlačno litje nosilca iz aluminijeve zlitine AlSi9Cu3, lahko prištevali k začetku toplotnega razpokanja (ob oznakah) in razpokanju v ogljiščih, robovih in prehodih. Nastanek razpok na orodjih za tlačno litje je praviloma posledica več hkratnih vplivov. Zato je poleg predlagane možnosti treba analizirati tudi druge mogoče vzroke, npr. optimalnost same konstrukcije orodja, zadostno višino in homogenost začetnega temperaturnega polja na aktivni delovni površini orodja [11] ter tudi same razmere pri delu. gfin^OtJJlMlSCSD 01-9 stran 577 |^BSSITIMIGC B. Kosec - L. Kosec - J. Kopa~ - A. [krinjar: Analiza Po{kodb - Damage Analysis 3 LITERATURA [I] Lichtenegger, G., H. Schweiger, R. Breitler, H. Lenger (1998) Werkzeugstahl als unentbehrlicher Werkstoff für die Herstellung von Komponenten für die Verkehrstechnik, BHM, Vol. 143, No. 5, 169 - 174. [2] Böhler Edelstahlhandbuch auf PC V2.0, Kapfenberg (1996). [3] Richter, F. (1983) Physikalische Eigenschaften von Stählen und ihre Temperaturabhängigkeit, Mannesmann Forschungsbericht 930/1983, Stahl - Sonderberichte, Heft 10, Verlag Stahleisen M.B.H., Düsseldorf. [4] STAHL-Eisen Werkstoffblätter (SEW) des Vereins Deutscher Eisenhüttenleute, Physikalische Eigenschaften von Stahlen, Düsseldorf (1992). [5] Jocič, B. (1996) Slovenska jekla 2: Jekla in železove zlitine, Slovenske železarne d.d., Ljubljana. [6] Kosec, L., M. Kmetic, B. Arzenšek (1990) Neporušne metalografske preiskave s pomočjo replik, Zbornik 3. Strokovnega posvetovanja: Neporušne metode za kontrolo materiala in izdelkov v sodobni proizvodnji, Ljubljana, 251 - 259. [7] Suresh, S. (1996) Fatigue of materials, Cambridge University Press, Cambridge. [8] Kalpakjian, S. (1982) Tool and die failures - source book, American Society for Metals, Metals Park, Ohio. [9] Metals Handbook: Volume 11 - Failure analysis and prevention, ASM, Metals Park, Ohio. [10] Timmins, PF (1995) Fracture mechanisms and failure control for inspectors and engineers, ASM Interna- tional, Materials Park, Ohio. [II] Kosec, B., B. Težak, L. Kosec, J. Kopač, J. Vojvodič Tuma (2000) Analiza temperaturnega polja na delovni površini orodja za tlačno litje z uporabo termografije, Materiali in tehnologije, Vol. 34, No. 6, 415 - 418. Naslovi avtorjev: doc. dr. Borut Kosec prof. dr. Ladislav Kosec NTF - Oddelek za materiale in metalurgijo Univerza v Ljubljani Aškerčeva 12 1001 Ljubljana prof. dr. Janez Kopač Fakulteta za strojništvo Univerza v Ljubljani Aškerčeva 6 1000 Ljubljana Anton Škrinjar Tomos Alusuisse d.o.o. Šmarska cesta 4 6000 Koper Prejeto: 1.3.2000 Sprejeto: 7.12.2001 VH^tTPsDDIK stran 578