Milan Trbižan, dipl. inž. Metalurški odsek FNT Oddelek za montanistiko FNT DK: 621.74.043 ASM/SLA Q 10 a; W 19 c Vpliv cikličnih termičnih obremenitev na izdržljivost kokilne litine Iz štirih vrst litine in sicer običajne kokilne litine, litine z nizkim žveplom, modificirane in nodularne litine so bile izdelane probe za preiskavo cikličnih termičnih udarov. Obenem so bile iz istih litin vlite tudi jeklarske kokile. Probe so bile vpete v tog okvir, ki ni dopuščal nobenih deformacij. Togo vpete probe so bile elektrouporovno ogrevane do 850° C in so se nato ohlajevale na zraku. Celotni termični ciklusi so trajali 150 sekund in so se ponavljali vse do zloma probe. Ugotovili srno, da obstoja določena odvisnost med številom termičnih udarov, ki jih je izdržala proba in trajnostjo kokile izdelane iz iste litine. Temperaturne razlike se razvijajo v kokilni litini pri hitrem segrevanju. Največje temperaturne razlike so pri najvišji temperaturi, katero doseže kokilna litina. Ker ima kokilna litina pri tej temperaturi majhno odpornost proti plastičnim deformacijam so termične napetosti reducirane na minimum. Največje termične napetosti se razvijajo med segrevanjem do maksimalne temperature, takrat, ko je litina še odporna proti plastičnim deformacijam in je sposobna sprejemati napetosti v elastičnem področju. Pri segrevanju jeklarske kokile se na notranji strani pojavijo tlačne napetosti. Njim držijo ravnotežje napetosti na zunanji strani stene kokile, ki so natezne. Med njima je nevtralna črta, v kateri se ne pojavljajo nobene napetosti. V praksi se med litjem v jeklarsko kokilo nevtralna cona spreminja, vendar opisani principi ostanejo nespremenjeni. Ce se trdnost materiala ne spreminja v odvisnosti od temperature, tedaj so krivulje nateznih in tlačnih napetosti v tlačni in natezni coni približno enake. Ravno tako so enake tudi deformacije, ki nastanejo zaradi tlačnih in nateznih napetosti. Če pa nastopajo spremembe v trdnosti materiala, so raztezki v tistem delu stene kokile, ki ima višjo temperaturo in manjšo trdnost veliko večje kot v nasprotnem delu stene kokile, kjer je nizka temperatura in ima material še običajno trdnost. Razlike v raztezkih so tem večje, čim bolj se zniža trdnost litine. Ti pojavi so shematično prikazani na sliki 1, ki prikazuje krivulje tlačnih odnosno nateznih sil v diagramu napetost-raztezek. Termične napetosti so odvisne od velikosti preprečenega termičnega raz-tezka, ki se je absorbiral kot mehanska napetost, za katero predpostavljamo, da je velika 2 h. če se Slika 1 Krivulja napetost — raztezek pri različnih temperaturah ni znižala trdnost zaradi temperature, so tlačne in natezne krivulje napetost-raztezek za notranji in zunanji del stene kokile podane z eno od krivulj na sliki 1 (n. pr. Ti). Mehanski raztezek je med tlačnimi in nateznimi napetostmi porazdeljen tako, da je celotna dimenzijska sprememba enaka ei, kar bo dalo tlačne in natezne napetosti Si. če je temperatura na notranjem delu stene kokile višja (T2) in ustrezna napetost nekoliko nižja od zunanje (Ti), se pojavijo manjše termične napetosti (S2), ki se v ravnotežju s skupnim mehanskim raztezkom 2ei = e2 -f e3 Tudi iz slike 1 je razvidno, da je napetost pri višjih temperaturah manjša kot pri nižjih. Ugotoviti je mogoče tudi to, da je raztezek pri višji Predavanje na IX. strokovnem posvetovanju metalurških inženirjev in tehnikov v Portorožu. temperaturi T3 večji in bolj izrazit istočasno z večjim padcem trdnosti, čeprav je termična napetost (S3) nižja in skupni mehanski raztezek enak 2ei = e4 + e5. Povečanje raztezka na visokotemperaturni strani stene kokile, kjer je padec trdnosti večji, ni odvisno od trdnosti, ki jo ima litina pri običajni temperaturi. 'Odvisno je samo od padca osnovne trdnosti med visoko in nizko temperaturno stranjo stene kokile. Verjetnost, da bo nastopil zlom se ne zmanjšaznižjimi termičnimi napetostmi pri višji temperaturi. Termična napetost je odvisna od temperaturnega raztezka in od diagrama napetost-raz-M 20 % 04 0 'N t/5 % 040 S3 M 20 I Slika 2 Izmere probe težek, ki je karakterističen za vsak material. Slika 1 prikazuje, da so na notranji visokotemperaturni strani stene kokile mogoče razpoke pri nizkih termičnih napetostih in večjih raztezkih. Termične napetosti so tedaj veliko manjše kot pri običajni temperaturi. Opisana dogajanja v jeklarski kokili med litjem smo ponovili pri preiskovanju kokilne litine. Pri preiskavah smo uporabili 4 vrste kokilnih litin in sicer: 1. običajno kokilno litino, ki se zaenkrat še najbolj uporablja pri nas. 2. kokilno litino z nizkim žveplom. Dosedanja preiskovanja s statistično analizo so pokazala, da od glavnih elementov najbolj vpliva na trajnost kokil žveplo. Kokile z nižjim žveplom so pokazale pri statistični analizi tendenco večje trajnosti. Zaradi tega smo uporabljali probe, ki so bile izdelane iz kokilne litine, katera je bila predhodno razžveplana. {- priključki za e/. tok Z- strain-gage J - jarem 4- izo/acija 5- proda iS mm premera 6- vodno hlajenje Slika 3 Okvir za izvajanje termičnih udarov 3. modificirana kokilna litina. Probe so bile izdelane iz kokilne litine, ki je bila predhodno modificirana. Z modificiran jem smo nameravali doseči boljše izoblikovanje in porazdelitev grafita ter ugodnejšo osnovno strukturo. 4. nodularna litina. V svetu se vedno bolj uporabljajo kokile, ki so izdelane iz nodularne litine. Dosedanje izkušnje so pokazale, da so kokile, ki so izdelane iz nodularne litine, pokazale znatno večjo trajnost. Iz navedenih vrst kokilnih litin smo izdelali preizkusne probe z izmerami, ki so prikazane na sliki 2. Obenem so bile ulite iz istega materiala tudi jeklarske kokile, ki so se nato uporabljale v jeklarnah. Pri uporabi se je opazovala njihova trajnost in vzroki izločanja. Probe smo preiskovali s posebno metodo. Vpeli smo jih v okvir, ki ni dopuščal niti raztezkov niti skrčkov (slika 3). Probo, ki je bila tako povsem togo vpeta, smo ciklično ogrevali s pomočjo električno upornega gretja. Za ogrevanje smo uporabili transformator z močjo 40 KW, kateri je dajal električni tok z jakostjo približno 2000 A in napetostjo nekaj V. Dogajanja v probi med izvajanjem posameznih ciklov so razvidna iz slike 4, ki shematično prikazuje napetosti pri spremembah tempe- -temperatura j---napetost Čas Slika 4 Shematični prikaz napetosti in temperature v probi rature v probi. Z električnim tokom smo probo ogreli v približno 20—25 sekundah na temperaturo 850° C. Ko je proba dosegla to temperaturo, smo tok izklopili in proba se je ohlajala 125—130 sekund. Celotni ciklus je trajal 150 sekund. Pri tem so se v probi pojavljale natezne in tlačne obremenitve. Pri prvem ciklusu, ko se je togo vpeta proba ogrevala od običajne temperature na temperaturo 850° C so se v probi pojavljale velike tlačne napetosti. Tlačne napetosti so dosegle maksimalno vrednost med samim ogrevanjem. Ko se je temperatura približevala 850° C, litina ni bila več sposobna sprejemati napetosti v elastičnem območju in se je plastičnost deformirala. Pri maksimalni temperaturi so znašale tlačne napetosti samo še nekaj kg/mm2. Po končanem ogrevanju se je pričela pro- ba ohlajevati, litina se je krčila, kar je imelo za posledico, da so se v probi pojavile natezne napetosti. Proba se pri ohlajevanju ni več ohladila do normalne temperature, temveč približno na 200° C. 40 35 o 30 25 rC £ '•o 20 di ^ 15 o. V) 10 5 20 število 30 28 26 ~ 24 E ^ 22 ž 20 ' '8 1 '6 g" M c a, 12 | 10 £ 8 6 t, 2 natezne napetosti tlačne napetosti 20 30 40 50 60 70 80 Izdržljivost kokile 90 Slika 6 Velikost termičnih napetosti v odvisnosti od vzdržnosti kokil Cikluse smo ponavljali do zloma probe. Celotni ciklus je potekal povsem avtomatično. Temperaturo smo merili s pomočjo elektronskega optičnega pirometra, ki je avtomatsko izklopil električni tok, ko je bila dosežena temperatura. Časovni potek je bil reguliran s pomočjo časovnih relejev. Da bi lahko merili napetost v probi, smo vključili obenem s probo v okvir tudi merilno celico, s pomočjo katere smo ugotavljali napetosti v preiskovani • Format A x Format B Slika 5 termičnih udarov v odvisnosti od vzdržnosti kokil Izdržljivost kokile probi. Merjenje napetosti je bilo s pomočjo tenzo-metrov. Napetosti in temperaturo smo registrirali na registrirni trak. Rezultate, katere smo dosegli z opisano probo, so podani v tabeli in na sliki 5. V naslednji tabeli so podane termične napetosti, ki so se pojavile v probi med temperaturnimi ciklusi. Slika 6 pa prikazuje kakšna odvisnost obstoja med velikostjo termičnih napetosti in vzdržnostjo kokile. Slika 7 Slika 7 Probe po zlomu Diagram običajne kokitne litine : A-temperatura B-napetosti Diagram litine z nizkim S ■ A-temperatura B-napetosti Diagram modificirane litine : A- temperatura B-napetosti Slika 8 Diagram dejanskega poteka napetosti in temperature v probi B Diagram nodularne litine: A — temperatura B — napetosti Slika 9 Diagram dejanskega poteka napetosti in temperature v probi nam kaže probe po zlomu. Na slikah 8 in 9 so prikazane krivulje dejanskega poteka napetosti in temperature v probah. Vzdržnost prob in vzdržnost kokil Velikost termičnih napetosti v probah Šte- Število Izdrž- vilka Vrsta litine termičnih ljivost probe udarov kokile Format A 38 litina z nizkim S 12 27 44 litina z nizkim S 1 29 1 modificirana litina 23 68 19 modificirana litina 15 64 3 nodularna litina 200 52 Format B 25 hematitna litina 15 81 27 hematitna litina 13 30 18 litina z nizkim S 32 86 30 litina z nizkim S 4 28 37 litina z nizkim S 16 60 41 litina z nizkim S 1 26 46 litina z nizkim S 7 33 9 modificirana litina 23 82 11 modificirana litina 35 74 13 modificirana litina 27 84 Format A = OK 350 Format B = OKGV 255 št. -probe Termične napetosti (max.) tlačne kp/mm2 natezne kp/mm2 Format A 1. ciklus 2. ciklus 38 AA 12,0 2,5 7,6 i 23,7 4,1 16,1 19 20,1 3,5 16,5 3 23,8 3,5 24,9 Format B 1. ciklus 2. ciklus 25 15,4 2,4 11,9 27 114,3 2,4 7,9 18 26,0 4,7 27,1 30 13,0 2,4 8,3 37 13,0 2,4 8,3 46 14,2 2,4 8,9 9 22,0 4,2 16,5 11 23,8 4,7 19,0 13 22,5 6,0 19,0 Iz diagramov je razvidno, da nastopajo tako pri ogrevanju kakor tudi pri ohlajevanju določene anomalije odnosno zakasnitve, je povezano s strukturnimi spremembami v materialu. Zaključek Med številom termičnih udarov, ki jih je vzdržala proba in med izdržljivostjo ustrezne kokile obstoja neka odvisnost. Upoštevati pa moramo, da so bile probe podvržene predvsem obremenitvam zaradi termičnih napetosti, medtem ko so jeklarske kokile izločene ne samo zaradi razpok, temveč tudi zaradi zajed. Ravno tako obstoja določena odvisnost med velikostjo termičnih napetosti in iz- držnostjo kokile. Čim večje so notranje termične napetosti, tem bolj kvalitetna je litina in tem večja je tudi njena trajnost. Običajna kokilna litina in litina z nizkim žveplom sta imeli nižje termične napetosti kot modificirana in nodularna litina. Opisane preiskave še niso dokončane. Nadaljnje delo bo pokazalo ali je mogoče dobiti točnejšo odvisnost med številom termičnih udarov, ki jih je izdržala neka litina in trajnostjo jeklarske kokile. Literatura 1. H. Biihler in W. Schepp: »Beitrag zur Frage der Eigen-spannungen in Gusseisen«. Giesserei TWB 1959 H. 25 str. 1395—1401. 2. W. Grundig: Dber den Elastizitatmodul Ho der graphi-thaltigen Eisenvverkstofte«, Giesserei TWB 1956 H. 16 str. 809—814. 3. E. Houdremont in H. Scholl: »Die Bewertung innerer Spannungen fiir die Praxis«. Metallkunde, 1959, zv. 9, str. 503—511. 4. H. Schlechtweg: »Spannungs messunngen an Gusseisen nach dem modifizierten Invarianten Verfahren«. Giesserei TWB, 1955, zv. 15, str. 801—803. 5. J. R. Kattus: »Study of Mold-Iron Compositions«, Blast Furnace and Steel Plant, Febr. 1961, str. 159—163. ZUSAMMENFASSUNG In der Praxiss ist es gewohnlich schwer zu beweisen, dass ein zu fruheres Ausfallen der Kokille durch die zu schlechte Bestandigkeit des Kokillengusseisens verursacht wird. Deswegen haben wir eine Methode uberpriifft, welche fiir die Bestimmung der Bestandigkeit des Kokillengusses bei wiederholten thermischen Beanspruchungen dienen solite und nach vvelcher eine Schatzung der Kokillenbe-standigkeit moglich ware. Die Probe haben wir in ein Joch eingespannt, welches keine Zusammensrumpfungen und Ausdehnungen erlaubte. Die Probe haben wir elektrisch auf eine Temperatur von 850° C erwarmt. Bei dieser Erwarmung welche 20 bis 30 Sekunden dauerte, entstanden Druckspannungen und beim Abkuhlen Zugspannnungen. Diese Envarmung wiederholten wier bis zum Bruch. Wir haben auf diese Weise vier Sorten des Gusseisens untersucht und zwar: den iiblichen Kokillenguss, Guss-eisen mit niedrigem Schweffelgehalt. modifizierten Guss-eisen und Gusseisen mit Kugelgraphit. Die Proben haben abhangig von der Struktur des Gusseisens verschiedene Zahl der Zykeln ausgehaiten. Manche Proben mit vollig weisser Struktur (Gusseisen mit niedri-gen Schweffelgehalt) hielten nur einige Zykel aus. Etwas besser ivaren die Proben aus dem gewohnlichen Kokillenguss. Sie hielten bis zu 10 Zykel aus. Der modifizierte Guss hielt von 20 bis 45 Zykel aus. Die Proben aus dem Gusseisen mit Kugelgraphit hielten ohne Bruch 200 Zykel aus. SUMMARY In practice it is difficult to prove that a too low lifetime of a mold has origin in mold casting. Therefore a method was tested at the Metallurgical Institute in Ljubljana which enables us to test endurance of mold castings under repeated thermal stresses in order to forecast lifetimes of molds. A specimen is fixed in a rigid frame which does not allow expansions or contractions. Specimens were ellectri-caliy heated to 850" C. When heated up for 20 to 30 secs, compressive stresses appear in the speoimen and during cooling off time tensile stresses are present. The heating-up periods were repeated until the break down of the specimen. Four sorts of castings were tested by this method: an ordinary mold casting a casting with low sulphur a mofified casting, and a nodular casting. Depending upon the microstructure of castings, specimens were able to stay various numbers of heating and cooling off cycles. Some sprecimen vvith a completely white microstructure (castings vvith low sulphur) were able to stay only few cycles. Somewhat better endurance was shown by specimens of ordinarv mold casting (up to 10 cycles). Modified castings stayed 20 to 45 cycles, and sprecimens of nodular castings were able to stay even 200 cycles before the break down. 3AKAIOTEHHE B npaKTHKe oSbiKHOBenHO tpyaho AOKa3aTb, mto npinHHa nAoxofi CTOHKOCTH H3AOJKHHU nAOXaa CTOHKOCTb KOKHAbHOra AHTba. Il03T0My Ha MeTaAAyprnHecKOM 3aB0Ae b AroSAaHe (lOrocAaBHa) ncnbiTaAii KieTOA no KoropoMy ČUAO 6m bo3mo?kho onpeAeAflTL CTOHKOCTb KOKHAbHOra AHTbH Ha OCHOBSHHH iepeAyiOmHX TepMHieCKHX Harpy30K h HanepeA AaTb oueHKy o ctohkocth H3AO>khhu. B apMO, KOTopoe He AonycKaAo ycaAKOB n pacTaa;eHHH, npn-KpenAeHHaa npoSa SbiAa nyTeM SAeKTpntiecKora conpoiHBAeHHa noA-BepaceHa HarpeBy Ha TeMnp. or 850° U,. IIpu stom HarpeBe, KOTopoe AAHAocb Bcero 20—30 ceK. B03HHKBAH c>KHMaiotuH5i HanpaaceHHa a npn oxaaacaehim chah pactajkehhh. HarpeB noBTopsiAH ao H3AOMa npoSbi. TaKHM 06pa30M HcnbiTaAH qeTbipn copTa AHTba, H to: oSi.ikoiio-BeHHOe KOKHAbHOe AHTbe, AHrbe C HH3KIIM coAepacaHHe.« čepu, MOAH<}>HIlHpOBaHOe AHTbe H AHTbe C HiapOBHAHblM rpa4>HTOM. B OTHO-raeHHH Ha CTpyKTypy, npoSbi BbiAepacaAH pa3AHHHoe mhcao uijkaob. HeKOTopua npoSbi, Ha nepeAOMe 6e\o& CTpyKTypbi, BbiAepjKaAii Bcero HecKOAbKO mbiKAOB. HeMHOTO Ayymyio CTOiiKOCTb ao 10 umkaob BbIAep>KaAH npoobl H3 KOKHAbHOra AIITba. ITpo6bI H3 MOAHHbipOBaHOra AHTba BLIAep?KaAH 20—45 HbIKAOB, a npoobl c HiapOBHAHblM rpa4>HTO.\t BbiAepacaAH 6e3 H3AOMa ao 200 UbiKAOB.