73

KAVITACINA OTPORNOST ADI MATERIJALA

THE CAVITATION RESISTANCE OF ADI MATERIAL

Dr Olivera Erić Cekić1,Dr Marina Dojčinović2, Prof. Dr Leposava Šiđanin3, Mr Dragan Rajnović3, Dr Sebastian Baloš3

1 Inovacioni centar Mašinskog fakulteta u Beogradu, Beograd 2 Tehnološko metalurški fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd 3 Fakultet tehničkih nauka, Departman za proizvodno mašinstvo, Novi Sad PREGLEDNI RAD PO POZIVU Rezime

Savremena inženjerska praksa iskazuje potrebu za materijalom koji će udovoljiti širokim zahtevima koje pred njega postavlja industrijska primena. Jedan od takvih materijala je i austemperovani nodularni liv, odnosno ADI materijal. U ovom radu su prikazani rezultati kavitacione otpornosti ADI materijala dobijeni primenom ultrazvučne vibracione metode sa stacionarnim uzorkom. Morfologija oštećenja nastalog dejstvom kavitacije površine ADI materijala praćena je skening elektronskim mikroskopom (SEM) i svetlosnosnim mikroskopom. Rezultati ispitivanja kavitacione otpornosti ADI materijala pokazali su da najmanju brzinu kavitacije ima ADI materijal izotermalno transformisan na višim temperaturama, odnosno na 400oC. UVOD Industrijska praksa je pokazala da nijedan materijal bilo da ima visoku ili nisku vrednost tvrdoće ili da poseduje visoku plastičnost, hemijski aktivan ili inertan, polimerni materijal, keramika, staklo, beton ili nemetalni materijal nije u stanju da se trajno suprostavi dejstvu kavitacije [1]. Elementi turbina izloženi dejstvu kavitacije uglavnom se izrađuju od čeličnih materijala. Zbog specifičnih radnih uslova koriste se ugljenični, legirani i mikrolegirani čelici i nerđajući čelici različitog hemijskog sastava. Ovi čelici imaju dobra mehanička svojstva, tj. otpornost na koroziju i toplotnu postojanost. Njihova mikrostruktura može da bude: feritno-perlitna (C35E i 42CrMo4), martenzitna kao kod nerđajućeg čelika CA6NIM, austenitna sa različitim veličinama metalnog zrna (X6CrNiMoTi17-12-2) ili feritna sa talozima karbidima (38HN3MFA) [2]. Podaci navedene literature su takođe pokazali da ugljenični čelik C35E nakon izlaganja dejstvu kavitacije ima najveću brzinu kavitacione erozije u poređenju sa drugim čelicima. Ovakvo ponašanje posledica je nižih vrednosti mehaničkih osobina, krupnozrne feritno-perlitne strukture kao i relativno velikog sadržaja fosofora, sumpora i drugih nečistoća što je uticalo na slabljenje čvrstoće veze u materijalu. Nerđajući čelik X6CrNiMoTi17-12-2, austenitne strukture, posle dejstva kavitacije sa druge strane je pokazao tri puta manju vrednost brzine kavitacione erozije u odnosu na ostale pomenute čelike. Razlog tome je što ovaj čelik ima izraženu spososbnost plastičnog deformisanja što je uzrok malih gubitaka mase usled dejstva kavitacije. Na osnovu svega navedenog može se konstatovati da tradicionalni materijal koji se koristi za izradu delova koji su otporni na kavitaciju su čelici [3]. Međutim, na osnovu brojnih eksperimentalnih ispitivanja, se takođe može konstatovati da postoje interesantne alternative čelicima. Jedna od tih alternativa je i ADI materijal, koji

74

predstavlja austemperovani nodularni liv, koji je karakteristični predstavnik relativno jeftinog, ali ujedno, pogodno modifikovanog materijala dobijenog livenjem. Ranija istraživanja pokazala su da kavitaciona otpornost livenog gvožđa zavisi od veličine, oblika i raspodele grafita, kao i od čvrstoće metalne osnove. Nodularni liv ima bolju otpornost prema kavitacionoj eroziji u poređenju sa sivim livom. Brzina kavitacione erozije perlitnog i feritnog nodularnog liva je 20% i 35% manja od sivog liva slične metalne osnove [3]. Hattory and Kitagawa [4] ispitivali su kavitacionu otpornost različitih klasa livenog gvožđa, tj. sivi liv, nodularni liv FCD400 (pretežno feritni nodularni liv) i FCD700 (pretežno perlitni nodularni liv) i austemperovani nodularni liv. Ispitivanja su pokazala da vrednost kavitacione otpornosti za sivi liv je za 1/3 do 1/5 niža u odnosu na ugljenični čelik. Kavitaciona otpornost nodularnog liva je za 2/3 odnosno 1/3 niža u poređenju sa ugljeničnim čelikom. Razlog za takvo kavitaciono ponašanje nodularnog liva može se pripisati uklanjanju grafitnih nodula iz metalne osnove na samom početku kavitacionog procesa. Nastale rupe proizvode visoku koncentraciju napona u nodularnom livu čime se povećava erozija materijala. Poslednjih godina velika ekspanzija proizvodnje i primene ADI materijala opravdava predviđanja naučnih krugova da se radi o materijalima koji će zameniti skupe specijalne vrste čelika u mnogim oblastima njihove primene, pa i onih koji su izloženi kavitaciji. POJAM KAVITACIJE Kavitaciona erozija predstavlja aktuelni problem koji je prisutan kod mašina čiji su elementi pri radu izloženi dejstvu brzog toka tečnosti, kao što su brodski propeleri i hidroprofili, na branskim ventilima, tunelima i drugim hidrauličnim strukturama, lopatice vodenih turbina i pumpi. U hidrosistemima, velika suženja u prolazu tečnosti prouzrokuju kavitaciono oštećenje nizvodno od prolaza i u ventilima, zatvaračima, ležištima i razmenjivačima toplote. Kavitacija predstavlja složenu pojavu stvaranja, rasta i kondenzacije mehura u struji tečnosti. Kada se ovako stvoreni mehuri prenesu strujanjem tečnosti u oblasti pritiska većeg od pritiska isparenja, oni nestaju u vrlo kratkom vremenskom intervalu (mikrosekunde). Mehuri koji su se obrazovali unutar tečnosti ne predstavljaju opasnost jer njihovu energiju apsorbuje sama tečnost. Međutim, mehuri koji implodiraju na površini čvrstog tela izazivaju razaranje površine materijala [5-7]. Kavitaciona otpornost predstavlja sposobnost materijala da se suprostavi razaranju zbog dejstva kavitacije. Proces kojim se materijal odvaja od čvrste površine naziva se kavitaciona erozija, a rezultujuće oštećenje je kavitaciono oštećenje. Primeri razaranja materijala elemenata izloženih dejstvu kavitacije prikazani su na slici 1.

Slika 1 Karakteristični izgled površine oštećene kavitacijom: a) brodski vijak; b) lopatice

turbine

a) b)

75

Zavisno od načina pada pritiska u tečnosti ispod pritiska pare, razlikuju se strujna i talasna kavitacija. Karakteristično za strujnu kavitaciju je da pritisak opada usled dostizanja određene brzine strujanja tečnosti. Međutim kod talasne kavitacije pad pritiska izaziva oscilovanje tečnosti, što prouzrokuje naizmenično smenjivanje udarnih talasa. METODE ISPITIVANJA OTPORNOSTI MATERIJALA NA DEJSTVO KAVITACIJE Ispitivanje otpornosti materijala elemenata na dejstvo kavitacije neposredno na objektima, tj. u realnim uslovima, pokazuje najbolje rezultate. Međutim, ovaj način ispitivanja kavitacione erozije nije našao praktičnu primenu jer zahteva dug vremenski period ispitivanja i velike troškove. Zbog toga je danas laboratorijsko ispitivanje otpornosti materijala na dejstvo kavitacije našlo praktičnu primenu. Postoji pet metoda za laboratorijsko ispitivanje otpornosti materijala na dejstvo kavitacije kao što su [8]: • metoda koja koristi Venturijevu cev • metoda sa Venturijevom cevi koja je modifikovana radnom komorom • metoda koja koristi rotirajući disk • metoda ispitivanja udarom mlaza tečnosti • modificirana ultrazvučna metoda. Prve četiri navedene metode primenjuju se za laboratorijsko ispitivanje strujne kavitacije, a peta za laboratorijsko ispitivanje talasne kavitacije. Za ispitivanje kavitacione otpornosti korišćena je modificirana ultrazvučna metoda (sa stacionarnim uzorkom) prikazana je na slici 2 [9].

Slika 2 Šema uređaja za ispitivanje kavitacione otpornosti modificiranom ultrazvučnom metodom [9]

76

Uređaj za ispitivanje ultrazvučnom vibracionom metodom (Branson Ultrasonics JP40022A) sastoji se iz generatora visokofrekventne struje, električnog pretvarača, koncentratora mehaničkih vibracija i vodenog kupatila sa držačem ispitnog uzorka.

Kod ove metode uzorak materijala koji se ispituje ima otvor prečnika 2 mm kroz koji struji tečnost, a uzorak je postavljen ispod čeone površine koncentratora vibracija sa zazorom. Ispod čeone površine koncentratora i stacionarnog probnog uzorka, obrazuje se jaka kavitaciona zona. Voda se dovodi pumpom kroz otvor na uzorku u vodeno kupatilo i na taj način hladi uzorak i održava njegovu temperaturu konstantnom. Takođe, voda zahvaljujući svojim stalnim protokom stvara polje pritiska koje podstiče imploziju kavitacionih mehura na površini ispitivanog uzorka. Ispitni uzorak nije izložen mehaničkim naprezanjima u toku ispitivanja.

Za ultrazvučno kavitaciono ispitivanje ADI materijala primenjuje se standardna procedura ispitivanja sa preporučenim standardnim vrednostima parametara [10, 11]: frekvencija mehaničkih vibracija 20±0,5 kHz; amplituda mehaničkih vibracija na vrhu koncentratora 50 µm; zazor između probnog uzorka i koncentratora 0,5 mm; protok vode 5-10 ml/s.

OSOBINE ADI MATERIJALA Interesovanje za ADI bilo je veliko zbog značajnog poboljšanja mehaničkih osobina, posebno čvrstoće, žilavosti i otpornosti na habanje. Optimalni odnos mehaničkih osobina kod ovih materijala obično se postiže podešavanjem hemijskog sastava i odgovarajućom termičkom obradom – austemperovanjem, dok se temperatura i vreme termičke obrade određuju u zavisnosti od željene mikrostrukture i osobina. ADI materijal dobija se izotermalnom transformacijom nodularnog liva primenom postupka tzv. austemperovanja koji se odvija u dve faze. Prva faza predstavlja austenitizaciju na temperaturama od 850 do 950°C, u trajanju od 120 min, radi maksimalnog zasićenja austenita ugljenikom. Druga faza sastoji se od brzog hlađenja do temperature izotermalne transformacije između 250 i 400°C i zadržavanja na toj temperaturi obično od 60 do 360 min, ali i duže. Tokom ove faze, zasićeni austenit transformiše se u ferit i zaostali, ugljenikom obogaćeni, stabilni austenit. Dobijena mikrostruktura naziva se ausferit i predstavlja tipičnu mikrostrukturu austemperovanog nodularnog liva. U tabeli 1 prikazane su vrednosti mehaničkih osobina (zatezna čvrstoća, konvencionalni napon tečenja 0.2%, izduženje, energija udara i tvrdoća) standardnih klasa ADI materijala. Tabela 1 Mehaničke osobine ADI materijala prema standardu ASTM A897/M-03 [10] Klasa Najmanja

Rm [MPa] Najmanji Rp0.2% [MPa]

Najmanje A [%]

Najmanje KO [J]

HB

1 900 850 9 100 269-341 2 1050 750 7 80 302-375 3 1200 850 4 45 341-444 4 1400 1100 2 25 388-477 5 1600 1300 1 15 402-512

Zatezna čvrstoća austemperovanog nodularnog liva može dostići vrednost 1600 MPa i visoku vrednost tvrdoće 402-512 HB (Klasa 5). Na osnovu podataka iz tabele 1, može se konstatovati da ADI materijal u pogledu zatezne čvrstoće, napona tečenja, tvrdoće i relativno velike duktilnosti (Klasa 1 i Klasa 2), mogu da se uporede sa niskolegiranim

77

čelicima. Pokazano je da u slučaju ADI materijala, pod uticajem kavitacije, dolazi do fazne transformacije metastabilnog reaktivnog austenita u martenzit [12]. Pretpostavlja se, ali nije dokazano da energija apsorbovana pri martenzitnoj transformaciji doprinosi njihovoj velikoj otpornosti na dejstvo kavitacije. ADI mikrostruktura, ausferit, sastoji se od ausferitnog ferita i zadržanog, izotermno transformisanog, ugljenikom visoko-obogaćenog (1.8÷2.2%C) stabilnog austenita, sa morfologijom koja zavisi od temperature austemperovanja (slika 3a,b).

Slika 3 Ausferitna mikrostruktura ADI materijala (SM) a) donje područje izotermne transformacije; b) gornje područje izotermne transformacije

Pločasti ausferit sa širim i kraćim snopovima ausferitnog ferita (slika 3b) nastaje u gornjem području izotermne transformacije (cca. 330÷400°C), a acikularni (igličasti) ausferit sa finijim i izduženim snopovima ausferitnog ferita (slika 3a) nastaje u donjem području transformacije (cca. 250÷330°C). Stabilni i maksimalno obogaćeni austenit je najvažnija strukturna faza u procesu dobijanja ADI. KAVITACIONO PONAŠANJE ADI MATERIJALA Brzina kavitacione erozije materijala predstavlja gubitak mase ili zapremine materijala u jedinici vremena. Za laboratorijsko ispitivanje ADI materijala na kavitaciju primenjena je modificirana ultrazvučna metoda. ADI materijal je dobijen austemperovanjem nelegiranog nodularnog liva na 300°C/1h (ADI300) i 400°C/1h (ADI400). Vreme izlaganja dejstvu kavitacije ADI materijala bilo je 30, 60, 120 i 240 min. Nakon izlaganja ADI materijala dejstvu kavitacije praćen je gubitak mase. Brzina kavitacije za ADI300 je 0,1046 mg/min, dok za ADI400 iznosi 0,0925 mg/min. Dobijene vrednosti brzine kavitacije su niže u odnosu na brzinu kod nodularnog liva sa 10% perlita, gde je brzina kavitacije 0,1179 mg/min. [12] Rezultati ispitivanja morfologije površine ADI materijala (slike 4a i 4b) pokazali su da se nakon 30 min kavitacionog dejstva, deformišu površinski slojevi materijala (ADI300 i ADI400). U ovoj fazi kavitacionog dejstva dolazi do odvajanja nodula grafita iz metalne osnove i stvaraju se jamice. Ove jamice se kod ADI 400 postepeno spajaju i obrazuju prsline.

a) b)

78

Slika 4 SEM mikrofotografije ADI materijala nakon 30 min kavitacionog ispitivanja: a) 300C/1h i b) 400C/1h [12]

Slika 5 SEM mikrofotografije ADI materijala nakon 240 min kavitacionog ispitivanja:

a) 300°C/1h i b) 400°C/1h [12]

Posle dejstva kavitacije u trajanju od 240 min (slike 5a i 5b) zapaža se veliki deo razorene površine kod oba ADI materijala. Razorene površine predstavljaju skup dubokih kratera nastalih odvajanjem nodula grafita i prslina. Kod ADI400 je karakteristično da su oštećena i neoštećena površina jednake. Oštećena površina je manja kod ADI 400 u odnosu na ADI 300, slika 5. ZAVRŠNI KOMENTAR Prikazani rezultati ispitivanja ADI materijala na ukazuju na to da ADI400 ima veću otpornost na dejstvo kavitacije. Ovakvo ponašanje može se pripisati prisustvu niskougljeničnog metastabilnog zadržanog austenita u mikrostrukturi ADI400 koji se najverovatnije kavitacionim udarima transformisao u martenzit. Međutim, u slučaju ADI300, posle dejstva kavitacije, stabilni austenit obogaćen ugljenikom (zaostali austenit) razlaže se u ferit i karbide, a rezultat je niža vrednost čvrstoće i duktilnosti. Na osnovu svega izloženog, može se konstatovati da ADI materijal ima dobre mehaničke osobine i dobra tehnološka svojstva koja pružaju mogućnost njegove primene i za izradu mašinskih elemenata izloženih kavitaciji, uz optimizaciju mikrostrukture, odnosno parametara austemperovanja.

79

ZAHVALNOST Zahvaljujemo se Ministarstvu za prosvetu i nauku Republike Srbije za finansiranje rada u okviru projekta TR34015: Projektovanje, razvoj i primena nove generacije ADI materijala. LITERATURA [1] М.Dојčinović, Ph.D.Thesis, University of Belgrade, 2007. [2] Knapp, R.T., Daily, J.W., Hammit,F.G., Cavitation, McGraw-Hill, 1970. [3] Dojcinovic M. DjĐordjđevic V.: Laboratory investigation of cavitation resistance of

materials-modified ultrasonically induced, cavitation method, MJoM METALURGIJA - JOURNAL OF METALLURGY, 14, (3) 2008, p. 217.

[4] S.K. Suslick, Sonochemistry, in: Kirk-Othmer Encyclo- pedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, New York, 1998.

[5] S. Suslick, A. Crum, Handbook of Acoustics, Wiley, New York, 1994. [6] Dojčinović M., Erić O., Rajnović D., Sidjanin L.,Baloš S., The morphology of ductile

cast iron surface damage by cavitation, Metall. Mater. Eng. Vol 18 (3) 2012 p. 165-176.

[7] Hattori S., kitagawa T.: Analysis of cavitation erosion resistance of cast iron and nonferrous metals based on database and comparison with carbon steel data, Wear, Volume 269, Issues 5-6, 2010, pp. 443-448.

[8] A.Karimi, J.L. Martin, Cavitation erosion of materials, Int. Met. Rev. 31(1986)p.1-26. [9] [9] F.J.Heyman, Characterization and Determination of Erosion Resistance, ASTM

STP474, 1970, pp. 212-222. [10] Modified ASTM G 32 Ultrasonically Induced Cavitation Test Method, ASTM G 32-92

(1992). [11] Dojcinovic M. Đorđevic V: The morphology of cavitation damage of heat-treated

medium carbon steel, (2006) J.Serb.Chem.Soc. 71, pp.977. [12] Dojcinovic M., Erić O., Rajnović D., Siđanin L., Baloš S., Effect of austempering

temperature on cavitation behavior of unalloyed ADI material, materials Characterization (2013) pp.66-72.

[13] Wu CZ, Chen YJ, Shih TS. Phase transformation in austempered ductile iron by microjet impact, Materials Characterization (2002), 48, pp.43-54.