Potrebno napajanje ulitkov iz nodularne litine
Feeding Requirement of Ductile Čast Iron
V. Uršič, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, Ljubljana, M. Tonkovič-Prijanovič, R. Jud, BELT Črnomelj, Črnomelj
V	letu 1990 smo v okviru raziskave za Belt Črnomelj preučevali nekatere vzroke in posledice močnega krčenja in širjenja nodularne litine med strjevanjem1.
V	nadaljevanju nas je zanimal vpliv trajanja napajanja med strjevanjem. Če se povezava med napajalnikom in ulitkom zaradi napačno dimenzioniranega vratu prehitro prekine, je prekinjen dotok taline v ulitek, ko se ta še strjuje. Zato ostane napajalnik neizkoriščen, v ulitku pa se pojavijo tipične livarske napake. Potreben obseg napajanja smo ugotavljali pri ulivanju poiskusnih ulitkov iz nelegirane in legirane nodularne litine2.
Ključne besede: napajanje, napajalnik, vrat napajalnika, forma, krčenje, nelegirana in legirana nodularna litina
Tvvo years ago we had studied several causes and the consequences of contraction and dilatation of ductile iron during its solidification. We found out that crystalization depends on chemical composition of melt. On the other h and it is very clear that rigid moulds should be used, to avoid the sinking of their walls during casting and solidification.
We continued our vvork and studied the influence of various feeding times on the soundnes of the castings. We used feeder-neck samples, proposed by R. Hummer from OGI Leoben in Austria. Four cubes and their feeders had the same modulus — Mc = 0:75 cm, vvhile modulus of feeder necks — Mfn increased from 0.175 to 0.500 cm so that the ratio Mfn=Mc increased from 0.25 to 0.66. If the feeder's neck is correctly dimensioned the feeding melt can reach the casting, othervvise it solidifies too early in the neck and in casting occur microporosity and/or shrinkage. The samples vvere čast of unalloyed and alloyed melts. The sand mixtures for moulds vvere bentonite, vvater glass and furan resin bonded.
Feeding requirement is much greater in čase of an alloyed melt than in that of an unalloyed one. Therefore the ratio Mfn=Mc should also be greater to avoid the premature solidification of the melt in feeder's neck and to avoid čast defects.
Key vvords: Feeding, Feeder, Feeder's Neck, Mould, Shrinkage, unalloyed and alloyed ductile iron.
1 Uvod
V okviru raziskave za Belt Črnomelj smo preučevali nekatere vzroke in posledice močnega krčenja in širjenja nodularne litine med strjevanjem. Če ulitek ni ustrezno napajan, se lahko pojavijo različne tipične napake: mikro-
poroznost, lunker in posedanje. Ugotovili smo, da je
potek strjevanja odvisen od kemijske sestave taline in da moramo ulivati v dovolj trdno in togo formo, da se ta v fazi evtektičnega strjevanja, ko pride do širjenja litine zaradi grafitizacije, ne podaja in s tem zagotavlja, da je napajalni tok usmerjen v kritične dele ulitka .
V nadaljevanju nas je zanimal vpliv trajanja napajanja med strjevanjem. Če se povezava med napajalnikom in ulitkom zaradi napačno dimenzioniranega vratu prehitro prekine, je prekinjen dotok taline v ulitek, ko se ta še strjuje. Zato ostane napajalnik neizkoriščen, v ulitku pa se pojavijo zgoraj omenjene napake. Napajalnik mora zanesljivo učinkovati predvsem v tistem obdobju strjevanja, ko iz taline rastejo primarni dendriti in je krčenje najbolj intenzivno. Ko se začne evtektično strjevanje — skupna rast dendritov in grafitnih nodulov -— pa širjenje zaradi izločanja
grafita delno kompenzira krčenje zaradi rasti dendritov in takrat napajanje ni več neobhodno potrebno2.
Potreben obseg napajanja smo ugotavljali pri ulivanju poiskusnih ulitkov iz nelegirane in legirane nodularne litine.
2 Potek raziskave in rezultati
2.1 Poizkus ni ulitki
Raziskovalci te problematike uporabljajo — ulivajo — različne vrste preizkušancev, med drugim ti. T-prahe'.
Iz OGI Leoben smo dobili načrt za poizkusne ulitke, s pomočjo katerih lahko ugotavljamo potrebni prerez vratu napajalnika pri različnih metalurško-tehnoloških pogojih4. Gre za komplet štirih enakih kock in štirih pripadajočih enakih cilindričnih napajalnikov (slika 1). Moduli kock in napajalnikov so v vseh štirih primerih 0.75 cm. Spreminjajo pa se izmere vratov napajalnikov, tako da so njihovi moduli:
0.175 - 0.250 - 0.375 - 0.500 cm.
Slika 1. Komplet štirih poizkusnih ulitkov. Figure 1. Sel of four čast samples.
Razmerja: modul vratu napajalnika/modul ulitka so torej:
Mvni/Mul = 0.25 M v ni/Mul = 0.33 Mvn3/Mu, = 0.50 Mvn4/Mu, = 0.66
Forme so bile izdelane iz peščenih mešanic, v katerih so bili kot vezivo bentonit, vodno steklo in furanska smola. V tem vrstnem redu je naraščala trdnost in togost uporabljenih form.
2.2	Kemijska sestava poizkusnih ulitkov
Najprej smo ulili poizkusne ulitke iz taline s kemijsko sestavo, ki jo v livarni naročnika običajno uporabljajo za težje ulitke (litina 1 v tabeli 1), nato pa še iz legirane taline (litina 2 v isti tabeli).
2.3	Preiskava poizkusnih ulitkov
Poizkusne ulitke — kocke — in pripadajoče napajalnike smo razrezali in naredili makroskopski pregled. Črke na posameznih vzorcih pomenijo:
A	prerez vratu Mvn\/Mui =	napajalnika je 7 0.25,	X	7	mm,
B	prerez vratu Mvni/Mul =	napajalnika je 10 0.33,	X	10	mm,
C	prerez vratu Mvni/Mul =	napajalnika je 15 0.50,	X	15	mm,
D	prerez vratu M „ „4/Mul =	napajalnika je 20 0.66,	X	20	mm,
a) Nelegirana nodularna litina
Ulitki uliti v furanske forme so bili zdravi ne glede na razmerje: M„„/Muf) (slika 2). Potreba po napajanju je bila zaradi trdne forme majhna, vrat napajalnika pa je zagotavljal potreben dotok sveže taline v kritičnem obdobju strjevanja ulitkov (slika 3).
Slika 2. Prerezi treh poizkusnih ulitkov, ulitih v različne peščene
forme; razmerje mvn/mul - 0.25. nelegirana nodularna litina. Figure 2. Sections of three samples, čast in different sand moulds; ratio Mjn/Mc = 0.25, unalloyed duetile čast iron.
Slika 3. Prerezi napajalnikov poizkusnih ulitkov, ulitih v različne
peščene forme; razmerje M, /Mul narašča od A k D. nelegirana nodularna litina.
Figure 3. Feeder's sections of samples čast in different sand moulds; ratio Mfn/M, inereases from A tovvards D. unalloyed duetile casl iron.
Ulitki uliti v C02-forme so bili zdravi, ko je bilo gornje razmerje 0.33, 0.50 in 0.66. Le v primeru, ko je bilo razmerje 0.25, se je v ulitku pojavila mikroporoznost in je bilo opazno posedanje ulitka v večjem obsegu. Potreba po napajanju je bila nekoliko večja, kot v predhodnem primeru, napajalniki pa so bili tudi bolje izkoriščeni.
Tabela 1. Kemijska sestava litin za poizkusne ulitke (mas.%)
Litina	C	Si	Mn	P	Mg	Ni	Cu	Mo
1	3.74	2.50	0.36	0.01	0.037	0.16	0.27	-
2	3.63	2.71	0.08	0.01	0.045	1.46	0.58	0.10
Ulitki uliti v bentonitne-forme so bili zdravi, ko je bilo gornje razmerje 0.33, 0.50 in 0.66. V primeru, ko je bilo razmerje 0.25, pa se je v ulitku pojavil večji zaprt lunker in bilo je opazno posedanje ulitka. Potreba po napajanju je bila velika. Iz napajalnikov je prešla večja količina taline v ulitke, vendar pa se je v primeru, ko je bilo gornje razmerje najmanjše — 0.25, vrat še prej strdil, kot pri enakem ulitku, ulitem v CO2-formo in napajalnik ni mogel učinkovati ves potreben čas.
b)	Legirana nodularna litina
V predhodni raziskavi1, ko smo ugotavljali obseg krčenja in širjenja taline med strjevanjem, smo spoznali, da je legirana nodularna litina še posebej močno nagnjena k volumskim spremembam med strjevanjem. Za zagotovitev zdravih ulitkov moramo zato poskrbeti za izdatno napajanje v času, ko iz taline kristalizirajo primarni dendriti austenita in je krčenje najbolj izrazito.
Zanimalo nas je, kako bo na strjevanje poizkusnih ulitkov vplival dodatek niklja, molibdena in bakra (tabela 1-litina 2). Kombinacijo teh treh elementov uporabljamo, kadar želimo npr. izdelovati bainitno nodulamo litino.
Poizkusne ulitke smo sedaj ulivali le v forme iz peščenih mešanic, vezanih z bentonitom, oz. s furansko smolo.
Čeprav je furanska forma precej bolj trdna, kot ben-tonitna in se med strjevanjem zato manj podaja pod vplivom tlaka zaradi ekspanzije litine, pa v primeru legirane nodularne litine pri najmanjšem razmerju M„/Mu/ — 0.25 — ulitek ni bil zdrav. V njegovi notranjosti smo odkrili manjše lunkerje in mikroporoznost, na površini pa posedanje. Napajalniki so bili dobro izkoriščeni, vendar pa tisti z najtanjšim vratom ni mogel povsem opraviti svoje naloge (slika 4).
Med ulitki ulitimi v bentonitno formo je bil zdrav le tisti, ki je bil z napajalnikom spojen z najdebelejšim vratom. V preostalih treh smo našli večje lunkerje in mikroporoznost (slika 5). Tanjši vratovi so se mnogo prej strdili, kot je zadoščalo za uspešno napajanje. Zato so bili napajalniki skoraj povsem neizkoriščeni in v njih smo opazili le mikroporoznost oz. manjši lunker.
c)	Iz litine, kateri je bila dodana le manjša količina bakra (litina 1 iz tabele 1) smo skupaj s poizkusnimi ulitki, ulili v forme iz bentonitnega peska tudi ulitke iz redne proizvodnje — vztrajnike z maso okoli 40 kg1, ki smo jih pregledali z radiografijo (X-žarki). S to neporušno metodo smo ugotavljali lego in velikost napak — mikroporoznost in notranji lunker v odvisnosti od lege napajalnika in hladilnih teles.
3 Zaključek
Nadaljevali smo s preiskavami, katerih cilj je ugotoviti, kako pri nodulami litini, za katero je značilna specifična morfologija strjevanja, zagotoviti tako zanesljivo napajanje, da bodo ulitki v tem pogledu zdravi.
Napajanje — dotok taline iz napajalnika v ulitek skozi vrat, ki ju povezuje — mora trajati vse do evtektičnega strjevanja, ko začne litina po začetnem močnem krčenju zaradi rasti primarnih dcndritov naraščati, ko se prične izločanje kroglastega grafita.
Slika 4. Prerezi poizkusnih ulitkov in pripadajočih napajalnikov,
ulitih v furanske peščene forme; razmerje Mv /Mut narašča od A k
D; legirana nodularna litina. Figure 4. Sections of čast samples and their feeders, čast in furan resin bonded moulds; ratio Mfn/Mc inereases from A tovvards D; alloyed duetile čast iron.
Slika 5. Prerezi poizkusnih ulitkov in pripadajočih napajalnikov,
ulitih v bentonitne peščene forme; razmerje Mv/Mui narašča od A k D; legirana nodularna litina. F igure 5. Sections of čast samples and their feeders, čast in bentonite bonded moulds; ratio Mj,JMc inereases from A towards D: alloyed duetile čast iron.
4 Literatura
1	V. Uršič, M. Tonkovič-Prijanovič, R. Jud: Volumske spremembe med strjevanjem nodularne litine; Kovine, zlitine, tehnologije, 26.' 1-2, 1992, 244-249
2	V. Uršič, M. Tonkovič-Prijanovič, R. Jud: Ugotavljanje nagnjenosti nodularne litine h krčenju in pojavu lunkranja — 2. del. Poročila IMT v Ljubljani, 91-051
3	F.J. Bradley. C.A. Fung: Thermal Analysis for Shrinkage Prediction in commercial ductile Iron Casttngs. Can. Met. Q. 30, 1991, 4, 251-260
4	R. Hummer: Relationship between Cooling and Dilata-tion Curves of Ductile — Iron Melts and their Shrinkage Tendency, Čast Metals. 1, 1988, 2