Martin Goršek, inž. fizike DK: 621.746.019 železarna Štore ASM/SLA: 9—72 Raziskave vplivov na dimenzije in druge lastnosti ulitkov iz nodularne litine Članek obravnava določanje linearnega in volumskega skrčka, ter velikost lunkerja pri nodular-ni litini. Namen naloge je v ugotavljanju vplivov na zgoraj navedene lastnosti. Skupno je bilo zasledovanih 23 spremenljivk, ki vplivajo na lastnosti nodularne litine. Rezultati so bili statistično obdelani na računalniku Zuse-23 in so podani v nomo-gramih. UVOD V livarstvu se poleg kvalitete postavljajo vedno večje zahteve za točnost dimenzij ulitkov. Da bi to dosegli je potrebno poznati vse tiste spremenljivke, ki vplivajo na dimenzije ulitkov, to pa so predvsem linearni in volumski skrček in velikost lunkerja. Raziskovali smo vse možne spremenljivke, ki bi lahko vplivale na zgornje lastnosti nodularne litine. Skupno smo zasledovali 23 spremenljivk pri 30 šaržah. Zasledovali smo naslednje spremenljivke: kemično analizo, natezno trdnost, raztezek, linearni in volumski skrček, trdoto, metalografsko strukturo; vse v ulitem in žarjenem stanju ter velikost lunkerja in temperaturo ulivanja. Da bi ugotovili vpliv debeline stene ulitka smo linearni skrček, trdoto in metalografsko strukturo določali na treh različnih debelinah vzorcev in sicer 10, 25 in 50 mm. Zaradi sigurnosti smo vse spremenljivke določevali v paralelkah. Zbrane podatke smo obdelali po različnih metodah statistične obdelave. Za nekatere spremenljivke smo napravili analizo distribucije, da bi ugotovili ali imajo normalno ali nenormalno porazdelitev. Za linearni skrček in trdoto smo napravili analizo variance in sicer tako, da smo iskali razlike v surovem in feritiziranem stanju pri debelinah vzorcev 10, 25 in 50 mm. Glavni namen naloge je bil ugotoviti, kako vplivajo različne spremenljivke na nekatere lastnosti nodularne litine, V ta namen smo napravili 25 analiz regresije. Rezultati analize regresije so podani v diagramih in nomogramih. DOLOČEVANJE SPREMENLJIVK 1. Linearni skrček Za določevanje linearnega skrčka smo izbrali poseben model, katerega načrt je prikazan na sliki 1. Vzorci so 300 mm dolgi, 50 mm široki, imajo pa tri različne debeline 10, 25 in 50 mm. Mere za posamezne pozicije so podane v tabeli 1. Delilna ploskev 2 3 A2 43 Slika 1 Model za določanje linearnega skrčka Tabela 1 — Mere (v mm) za posamezne pozicije na sliki 1 Pozicija Oznaka in : mere (v mm) 1 premer 27,5 2 21 X 27 X 275 za Al: 15 X 40 3 za A2: 7,5 X 40 za A3: 3 X 40 za Al: 50 X 50 X 300 4 za A2: 25 X 50 X 300 za A3: 10 X 50 X 300 za Al: 35 X 50 5 za A2: 15 X 50 za A3: 5 X 50 za Al: 100 0 X 160 6 za A2: 80 0 X 160 za A3: 60 0 X 160 za Al: 100 0 X 50 7 za A2: 80 0 X 25 za A3: 60 0 X 10 Linearni skrček smo določali na vzorcih z napajalnikom na dolžini 300 mm na ta način, da smo merili dolžino forme in dolžino ulitka ter potem iz razlike obeh dolžin izračunali procent krčenja. Linearni skrček smo določili na probah v ulitem in feretiziranem stanju. 2. Volumski skrček Volumski skrček smo določali s pomočjo modela prikazanega na sliki 2. Slika 2 Model za določanje volumskega skrčka Volumski skrček smo določili na ta način, da smo merili volumen forme in volumen ulitka. Volumen ulitka smo določili iz teže ulitka in specifične teže, ki smo jo za vsak ulitek posebej izmerili s piknometersko metodo. 3. Velikost lunkerja Za določanje velikosti lunkerja smo izbrali model,2 katerega načrt je prikazan na sliki 3. Ulitek in prerez skozi vlitek za določanje velikosti lunkerja prikazujeta sliki 4 in 5. Velikost lunkerja smo merili na ta način, da smo iz birete spuščali tekočino v lunker toliko časa, da ga je napolnila do spodnjega roba hladilnih reber, ki so vidna na sliki 5. Velikost lunkerja smo na ta način določili v (ml) oziroma v (cm3). Slika 4 Ulitek za določanje velikosti lunkerja Slika 5 Prerez skozi ulitek za določanje velikosti lunkerja Slika 3 Model za določanje velikosti lunkerja «£"21 C-C REZ D-D 4. Določevanje ostalih spremenljivk a) Natezno trdnost in raztezek smo določali na epruvetah, ki smo jih izrezali iz Y-prob. Obe lastnosti smo izmerili na surovih in feritiziranih vzorcih v dveh paralelkah. b) Trdoto smo merili na 10, 25 in 50 mm debelih surovih in feritiziranih vzorcih v dveh paralelkah. Trdoto smo določili po Brinellu. c) Pri metalografski strukturi smo določali osnovno strukturo, velikost grafita in količino ce-mentita. Metalografsko strukturo smo določali na vzorcih debeline 10, 25 in 50 mm po internih tabelah železarne štore, ki so prilagojene ASTM - normam. d) Temperaturo smo merili z optičnim piro-metrom. Vzorce za določanje posameznih spremenljivk v feritiziranem stanju smo žarili po naslednjem režimu: 3h na 920° C, na 720° C in jih ohlajali v peči. Tabela 2 Oznaka Naslov spremenljivke Omejitev Xi x2 x3 x4 X5 X6 Xs x9 Xio Xll Xl2 Xl3 X14 Xl5 Xl6 *-22 C % Si % Mn % P % S % Mg % a surov (kp/cm2) 5 surov (%) a feritiziran (kp/cm2) 5 feritiziran (%) velikost lunkerja v (ml) volumski skrček (%) temperatura ulivanja (°C) debelina probe (mm) trdota v surovem stanju (HB) trdota v feritiziranem stanju (HB) linearni skrček v surovem stanju (%) linearni skrček v feritiziranem stanju (%) velikost grafita v surovem stanju (1 — 6) velikost grafita v feritiziranem stanju (1 — 6) količina ferita v surovem stanju (0—100%) količina ferita v feritiziranem stanju (0—100%) 3.50-2.21-0.11 -0.031 -0.003 -0.034-46,8-2-38.7-14-5.6-2.4-1230 10-161- 150 — 148 0.05-0.21 -3-3-5-20-85- ■0.92 ■0.52 ■5 ■5 98 100 STATISTIČNA OBDELAVA PODATKOV 1. Podatki in naslovi spremenljivk Skupno smo zasledovali 23 spremenljivk. Rezultati dobljeni s statistično obdelavo veljajo z omejitvami, to je v mejah, v katerih se gibljejo spremenljivke. Naslove spremenljivk in omejitve podaja tabela 2. 2. Analiza porazdelitve Namen analize porazdelitve je bil, da ugotovimo, katere spremenljivke imajo normalno, katere pa nenormalno porazdelitev. Poleg tega smo z analizo porazdelitve ugotovili povprečne vrednosti, standardno devijacijo in varijacijski koeficient. Izdelali smo 15 analiz porazdelitve. Normalno porazdelitev imajo sledeče spremenljivke: •3.80 -2.93 -0.29 - 0.064 - 0.032 -0.120 ■69,3 ■17,7 -48.2 -19 -14.3 -7.1 -1340 -50 -255 XI — C % X2 — Si % X3 — Mn °/o X8 •— tr surov (kp/cm2) xio — a ferit. (kp/cm2) xu — 5 ferit. (%) Xi7 — HB v ferit. stanju xi2 = 9,0 xi2 — velikost = lunkerja (cm3) xu - Temp. = 169 ulivanja (°C) xi = 3.7 % s = 0.1 % V = 2.7 % X2~ = 2.54 % s = 0.17 °/o V = 6,8 % » = 0.20 % s = 0.047 % V = 24 % xs = 56,3 xio = 44,4 jo, = 17,2 s = 8.2 s = 2,25 s = 0.95 s = 2.15 s = 29 V = 14.5 % V =5.07 % V = 5.5 % V = 23,8 % V = 2,25 % V = 5.2 % Nenormalne so sledeče porazdelitve: x4 — P % x5 — S % x6 — Mg % x9 — 5 surov (%) x13 — volumski skrček (%) x16 — trdota v surovem stanju (HB) Vpliv nekaterih spremenljivk, ki imajo nenormalno porazdelitev lahko zmanjšamo na ta način, da jim omejimo maksimalni vrednosti, do katerih naj se gibljejo. Za fosfor in žveplo je na primer potrebna naslednja omejitev: Pmax = 0,050 %, Smax = 0.020 %. 3. Analiza variance Analizo variance smo izvršili za trdoto in linearni skrček zato, da bi ugotovili pomembnost razlik med surovimi in feritiziranimi vzorci debeline 10, 25 in 50 mm. Shema analize variance je bila sledeča ANALIZA VARIANCE I. TRDOTA II. SKRČEK I _ X0 X, SUROV I_ FERITIZIRAN I_ 4,23 — 0,312 X2 — 0,33 X4 + 0,066 X3 10 I 25 I 50 I 10 I 25 I 50 Z 99,9 °/'o statistično gotovostjo smo ugotovili pomembne razlike trdot med vzorci debeline 10 in 25 mm tako pri surovem, kakor tudi pri feritizira-nem stanju. V feritiziranem stanju so trdote vzorcev 10 mm povprečno za 9,5 HB višje od trdot vzorcev 25 mm. Ta razlika je pri vzorcih v surovem stanju znatno večja in znaša 24 HB. Razlike trdot med vzorci 25 in 50 mm niso bistveno različne tako v suroven kakor v feritiziranem stanju. Trdote so v feritiziranem stanju bistveno bolj enakomerne kakor v surovem stanju. To je razvidno tudi iz analize porazdelitve saj ima trdota vzorcev v surovem stanju nenormalno, v feritiziranem stanju pa normalno porazdelitev. Zato je razumljivo, da so v feritiziranem stanju manjše povprečne razlike statistično pomembnejše. Za skrček velja z 99 %-no gotovostjo, da so skrčki pri vseh debelinah vzorcev pomembno različni, razen v suroven stanju, kjer je pomembna le razlika skrčka med vzorci debeline 10 in 25 mm. V surovem stanju je povprečna razlika med vzorci 10 in 25 mm 0.30 %. Pri feritiziranih vzorcih pa so razlike v skrčku naslednje: med vzorci 10 in 25 mm . . . 0.15 % med vzorci 10 in 50 mm . . . 0.31 % med vzorci 25 in 50 mm . . . 0.16 % 4. Analiza regresije Da bi ugotovili, kako vplivajo določene spremenljivke na nekatere lastnosti nodularne litine, smo napravili 25 analiz regresije. Rezultati analiz regresije so prikazani v nomogramih, na katerih so izpisane tudi vrednosti za R2 — koeficient determi-nacije, R — koeficient korelacije ali regresije, Sy — napaka, a — koeficient gotovosti odvisnosti. Poleg tega je na nomogramu napisan tudi program analize regresije. Pri ugotovitvah analize regresije moramo upoštevati omejitve, ki so navedene v tabeli 2, ker veljajo rezultati le v območju, ki je bilo analizirano in tega ne moremo samovoljno razširiti in rezultatov z zaključki posplošiti. Glavni namen analize regresije je bil v ugotavljanju, od katerih vplivov so odvisni — linearni skrček v surovem (x18) in feritiziranem (x19) stanju, — volumski skrček (x13) in — velikost lunkerja (x12). Napravili smo tudi nekaj samostojnih analiz regresije za nekatere najvažnejše ostale lastnosti nodularne litine. 4.1. Linearni skrček v feritiziranem stanju (x19) 4.11 Najprej smo ugotavljali jakost medsebojne odvisnosti linearnega skrčka v surovem (x18) in feritiziranem stanju (x19). Rezultat analize regresije je prikazan z a = 0.1 in območjem 95 % trošenja z diagramom št. 17 na sliki 6. 1 f' / / s / / S / i/ ff'=0.7< »=0,66 sy = aoa Območje 95 '/.-ne gotovosti Qi 0.3 0.4 Q S 0.6 Q7 0.8 0.9 Xie - —Linearni skrček v surovem stanju ['A J Slika 6 4.12 Pri iskanju vplivov na linearni skrček v feritiziranem stanju je bila planirana regresija z 21 spremenljivkami. Od upoštevanih spremenljivk s 95 %-no gotovostjo vplivajo le x16 — trdota v surovem stanju (HB) x20 — velikost grafita v surovem stanju (1—6) in X|8 — linearni skrček v surovem stanju (%). Ta regresija prikazana na sliki 7 potrjuje odvisnost, ki je prikazana na sliki 6, dodatno pa je upoštevan vpliv x16 in x20- Koeficient determinacije je izredno visok R2 = 0.77 in napaka Sy = 0.08 razmeroma majhna. R = 0,77 R=o,BB 5y=0.0e U=5 xii=f(xi.. ,xt .xi.---- O.S 06 0.7 OJB 0.3 r surortm slonju ['/.J Slika 7 Iz nomograma vidimo, da poleg linearnega skrčka v surovem stanju na linearni skrček v feritiziranem stanju vplivata še velikost grafita in trdota v surovem stanju. Za te tri vplivne faktorje poglejmo dalje od česa so ti odvisni. 4.13 Trdota (HB) v surovem stanju (x16) Nomogram številka 11 na sliki 8 prikazuje, da je trdota v surovem stanju odvisna od x2 — Si % x3 — Mn °/o x4 — P % x22 — količina ferita (%) v surovem stanju. R - 0.8! R:0.90 Sy = 9.8 al = 5 ** = '(*■ .*(.*• X* *■: xX. *») 0.10 0.15 0.20 0.2i Slika Pri analizi distribucije smo ugotovili, da ima trdota surovih vzorcev nenormalno porazdelitev. Od vplivnih faktorjev na trdoto imata silicij in mangan normalno porazdelitev in zato s spreminjanjem teh dveh ni pričakovati učinkovitih ukrepov. Fosfor pa ima nenormalno porazdelitev. Pri % P je treba ustrezno ukrepati in ga omejiti P = = max. 0.050 %, kar je popolnoma realno in bi ugodno vplivalo na zmanjašnje trošenja trdote vzorcev v surovem stanju. Če sedaj vpliv silicija, mangana in fosforja zanemarimo z ozirom, da imajo normalno porazdelitev oziroma, da jih držimo v navedenih mejah, lahko njihov vpliv v glavnem zanemarimo in upoštevamo le odvisnost na diagramu številka 12 na sliki 9, ki je linearna z območjem razsipanja 95 %. Ugotovljena odvisnost je sigurna z 99,9 %-no gotovostjo in visokim koeficientom determinacije R2 = \ s \ s \ \ s \ v \ \ \ \ \ N. \ \ s \ \ \ S \ \ \ \ v \ \ N - •Xl6 192. — N S \ \ 1 \ \ 1 i \ \ s 1 \ \ X22= 709s \ t N \ 30 40 SO 60 70 80 X22—Količina ferita ['/.] v surovem stanju Slika 9 = 0,76. Seveda moramo pri tem diagramu ugotoviti od česa je odvisna količina ferita v surovem stanju. Te informacije dobimo iz nomograma št. 20 na sliki 10. R'=0.S9 R--0.77 S/--U U=5 *JJ-H*t "t . "k. "a . x}}) J - u j L | 0.020 0.02S 0.030 ' -S« Slika 10 Na količino ferita v surovem stanju vplivajo mangan, fosfor, žveplo, debelina vzorca in velikost grafita. Za mangan smo že ugotovili, da ima v mejah 0,10 do 0,30 % normalno porazdelitev. Pri vsebnosti % S ugotavljamo zelo nenormalno porazdelitev. Potrebna in realno dosegljiva je omejitev S = max. 0.020 %. Zelo močno vplivata na količino ferita v surovem stanju x,5 — debelina probe, kar predstavlja važen praktični podatek, 4? 4J E S £ J.s 1 3 35 V 10 20 30, 40 50 iO 50 60 70 80 90 100 X22 -"" Količina ferita ['/•]* surovem stanju Slika 11 0,8 10,7 p 0£ > 0,5 1 0,4 ,0,3 1240 1260 1280 1300 1320 1340 20 30 40 Xi5 —Debelina probe [,mmj Slika 12 50 x20 — velikost grafita v surovem stanju, katero bomo obravnavali v naslednji točki 4.14. 4.14 Velikost grafita v surovem stanju (x20) Nomogram št. 19 na sliki 11 kaže, da je tudi velikost grafita v surovem stanju močno odvisna od debeline probe. Iz nomograma št. 20 na sliki 10 smo videli, da velikost grafita vpliva na količino ferita v surovih vzorcih; na nomogramu št. 19 na sliki 11 pa je prikazan obratni vpliv, tako da je potrjena močna medsebojna odvisnost. V surovem stanju je treba kontrolirati velikost grafita, še bolje pa količino ferita za informacijo za vstop v nomograme na slikah 7, 10 in 11. 4.15 Linearni skrček v surovem stanju (x18) Na nomogramu na sliki 12 vidimo, da je linearni skrček v surovem stanju odvisen predvsem od debeline probe in temperature ulivanja. S temi podatki imamo dobro orientacijo za predvidevanje linearnega skrčka. 4.16 Zaključek Za ugotavljanje linearnega skrčka v feritizira-nem stanju je najugodnejši nomogram št. 16 na sliki7 ter kot pomožni nomogrami št. 12, 15 in 20 na slikah 9, 12 in 10. Za ugotavljanje linearnega skrčka v surovem stanju zadostuje nomogram št. 15 na sliki 12. 4.2 Volumski skrček (x13) Analiza regresije za volumski skrček ima tako majhen koeficient determinacije R2 = 0,07, da nima praktičnega pomena. 4.3 Velikost lunkerja (x12) Iz nomograma št. 8 na sliki 13 vidimo, da na velikost lunkerja vplivajo mangan, fosfor in temperatura ulivanja. 1 0,10 0,15 0.10 OJ 5 X, —m p.] 1240 1260 1280 <300 1320 1340 Xu - ^-Temperatura uh vanjo [°Cj Slika 13 4.4 Samostojne regresije Napravili smo več samostojnih analiz regresije. V naslednji točki navajam nekatere z najvišjimi koeficienti determinacije, ki pa so obenem tudi zelo interesantne. R:= 0.37 R^O.ei Sy = l.t d. = 5 x,o= f(xi ) ■17 i3 SI 53 55 57 59 51 53 65 67 S 9 Slika 14 4.41 Natezna trdnost (kp/cm2) v f e r i - tiziranem stanju (x8) Medsebojno odvisnost natezne trdnosti surovih in žarjenih prob kaže diagram na sliki 14. Nomogram na sliki 15 kaže odvisnost vseh spremenljivk, ki vplivajo na natezno trdnost prob v fe-ritiziranem stanju. Vidimo, da poleg natezne trdnosti probe v surovem stanju vplivajo na natezno trdnost v feritiziranem stanju še kemična analiza in sicer vsebnost C, Si, Mn, P, S in Mg. Slika 16 X[ — C = 3.65 % x2 — Si = 2.80 % x3 — Mn = 0.22 % x4 — P = 0.040 % x5 — S = 0.020 % x6 — Mg = 0.090 % x8 — ff = 62,0 kp/cm2 Slika 17 /?-'.-C; f J R;0.73 Sy=6,2 ' Xe.*e. . ' .JC-lJ S «, ttnta[%] i- j To je primer, ki je urisan v nomogramu in služi za lažjo orientacijo. Z znano kemično analizo in na-tezno trdnostjo ulitka v surovem stanju lahko natezno trdnost v feritiziranem stanju točno določimo in znaša v gornjem primeru a = 41,0kp/cm2. 4.42 Trdota (HB) vzorcev v feritiziranem stanju (x17) Iz nomograma na sliki 16 vidimo, da na trdoto vzorcev v feritiziranem stanju vplivajo xI6 — trdota (HB) v surovem stanju x22 — količina ferita (%) v surovih vzorcih x4 — P % x2 — Si % in x15 — debelina probe (mm). S pomočjo teh spremenljivk lahko določimo trdoto feritiziranih vzorcev. 4.43 Količina ferita (%) v feritiziranih vzorcih (x23) Od vseh spremenljivk, za katere smo iskali vpliv na količino ferita v feritiziranih vzorcih, bistveno vpliva le procent magnezija. To odvisnost kaže diagram na sliki 17. Pri statistični obdelavi rezultatov, pripravi programa in urejanju rezultatov sta sodelovala inž. Jože Rodič in inž. Boštjan Rode iz Železarne Ravne. Literatura 1. H. V. Rajakovvics, R. Ebner: Kennzahlen fiir das Schvvin-dungsverhalten von Gusseisen mit Kugelgraphit, Nr. 1, 1968, str. 1-4 2. M. Barbero, D. Fortino: Blei als Verunreinigung im Gusseisen und als Ursache fiir Lunkerfehler in GuBstiicken Nr. 6, 1968, 3. E. Piwowarsky: Hochwertiger Grauguss; S. Springer, 1929, S. 287 ZUSAMMENFASSUNG Im Artikel wird die Bestimmung des linearen und kubischen Schrumpfungskoeffizientes und die Grosse des Lunkers im Spharoguss behandelt. Der Sinn dieser Auf-gabe war, die Einflussfaktoren auf die obengenannten und auch andere Eigenschaften des Spharogusses festzustellen. Fiir die Bestimmung des linearen und kubischen Schrump-ungskoeffizientes und der Lunkergrosse wurden Modelle ausgefertigt. Im gazen vvurden 23 Variablen verfolgt, und zwar die che-mische Analyse, der lineare und kubische Schrumpfungs- koeffizient, die Lunkergrosse, die Giesstemperatur, die Festigkeit, Dehnung, das Gefiige, alles an unbehandelten und ferritisierten Proben. Die Daten vvurden statistisch ausgewertet. Am bedeu-tendsten ist die Regresionsanalyse, vvelche uns viele prak-tische Daten angeboten hat. Der Suche nach den Ein-fliissen auf den linearen Schrumpfungskoeffizient vvar be-sonderer Wert gelegt. Die Ergebnisse der Regressionsanalyse sind in Dia-gramen und Nomogramen wiedergegeben. SUMMARY The paper describes the ways of determination of linear and volume shrinkage, and of shrink hole size in spheroidal graphite čast iron. Task of the project was to determine the parameters influencing the previousIy mentioned, and the other properties of spheroidal graphite čast iron. Special models were made for determination of linear and volume shrinkage, and of the shrink hole size. Twenty-three parameters were analyzed as: chemical analysis, linear and volumetric shrinkage, shrink hole size, casting temperature, tensile strength, deformation, metalo-graphic structure of ali rough and ferritized samples. Data were statistically analyzed by different methods of statistic analysis. Analyses of regression which gave a lot of practical results are the most important. A special stress was given to the studies of parameters influencing the linear shrinkage. Results of analyses of regression are given in diagrams and nomograms. SAKAIO^EHHE PaccMOTpeHO onpeAeAemie AHHefmora h ofrbeMHora ycaAKa h BeAHMHHti ycaAOHMecKaH CTpyKTypa, Bce Ha cbipbix h ep-pHTH30BaHHbIX O0pa3Uax. AaHHMe paCCMOTpeHbl paDAHHHblMH MeTO" AaMH CTaTHCTHqeCKora aHaAH3a. Oahh H3 caMbix Ba>KHbix anaAH3 perpeccim npii noMomii KOTopora n0AyHeH0 MHoro npaKTHHecKHX AaHHbix. Ha nepBOM nAaHe HCCAGAGiiaiuia: onpeAeAHTb baiihhhh Ha AHHeftHbiH ycaAOK. Pe3yAbTaTbi aHaAH3a perpeccnii npHBeAeHbi npH nOMOIIlH AHarpaMMOB h HOMOrpaMMOB.