Stane Lenasi, dipl. inž. Železarna Ravne DK 621.747 Klasifikacija ASM—SLA E 18, E 24, E 26, 9—71 Penetracijo na jeklenih ulitkih članek obravnava ugotovitve nekaterih tujih avtorjev o pojavih penetracije na jeklenih ulitkih. Predvsem se naslanja na Poročilo št. 24 odbora VDG za formarske in pomožne livarske materiale« in na članek »Pojav penetracije na jekleni litini pri različnih formarskih mešanicah«. Podanih je tudi nekaj domačih izkušenj pri opazovanju penetracije na ulitkih iz nelegiranega, malolegiranega in manganskega jekla. Uvod Če plast peska okrog ulitka po litju ne odpade saona od sebe, govorimo o napaki, ki jo livarji imenujejo »pripečen pesek«, »pritaljen pesek«, »peščena skorja«, »krasta« in podobno. Mednarodna klasifikacija napak loči tri oblike te napake: S kodo 4221 je označena napaka, ki jo naš Atlas napak1 imenuje »pripečen pesek«. To je tenka plast peska, ki se lahno drži ulitka. S kodo 4221 je označena napaka »pritaljen pesek«. To je plast nataljenega peska, ki se trdno drži ulitka. S kodo 1210 je označena napaka »pripečenje«. To je debela plast peska, prepojenega s kovino iz ulitka. Ta plast se ne more odstraniti s peskanjem. Navadno se pojavi na tistih površinah masivnih ulitkov, kjer se toplota slabo odvaja. Nastane zaradi penetracije jekla v material forme ali jedra. Zadnja od naštetih livarskih napak povzroča mnogo izmečka ali zamudnega čiščenija ulitkov. Izgleda, da je problem tudi v tujih livarnah pereč, saj se z njim ukvarjajo mnogi avtorji po strokovnih časopisih. Nedavno sta izšla v reviji Giesserei dva članka2'3, ki opisujeta sistematične raziskave, izvršene v zadnjem času na tem področju. Tu hočemo podati nekaj ugotovitev tujih raziskav in nekaj lastnih izkušenj. POROČILO ŠT. 24 ODBORA VDG ZA FORMARSKE IN POMOŽNE LIVARSKE MATERIALE (izvleček)2 Namen raziskav Poročilo opisuje rezultate raziskav, katerih namen je bil ugotoviti vpliv zrnatosti peska, dela za nabijanje, ferostatičnega pritiska, livne temperature in višine litja na penetracijo pri nelegiranih jeklih. Zrnat ost peska Za poizkuse so uporabljali pesek Haltern različnih zrnatosti z oznakami H 35, H 34, H 33, H 32, H 31 in H 30. Delo za nabijanje To spremenljivko so spreminjali z nastavitvijo različnih časov nabijanja — 5, 10, 15 in 20 sekund. Tako so dobili različne stopnje dela za nabijanje, ki je bilo v mejah od 16 do 82 kpm. Ferostatični pritisk Spreminjali so ga z različno višino nalitka. Višina je bila 200, 300, 400 in 500 mm. Temperatura litja Temperaturo litja so spreminjali od 1580° C do 1660° C. Višina litja Merili so jo od dna forme do nivoja taline v ponovci. Spreminjala se je od 1350 mm do 1900 mm. Proba za merjenje penetracije Prerez probe kaže slika 1. Kot 60° na ulitku je najbolj občutljiv za penetracijo. Volumen penetracije se lahko izračuna iz višine, širine in debeline penetriranega sloja. \ Slika 1 Presek probe za penetracijo2 To je ddkaj neprikladen način merjenja. Obstaja zakoniti odnos med volumnom in dolžino penetracije in so zaradi prikladnosti penetracijo izražali kar z dolžino. Rezultati raziskav Na sliki 2 vidimo vpliv nabijanja na stopnjo penetracije. Srednje vrednosti ležijo na krivulji, ki je pri krajših časih nabijanja bolj strma, pri večjih časiih pa bolj položna. To pomeni, da z izredno dolgim časom nabijanja ne pridobimo mnogo, pri kratikih časih pa je vpliv časa večji. 400 300 200 100 .... 5 10 15 20 25 Nabit je (čas stresanja ) [sek ] Slika 2 Sprememba dolžine penetracije v odvisnosti od dela nabijanja2 Čas 5 sekund ustreza približno delu 20 kpm. Trošenje rezultatov je izredno veliko, posebno pri krajših časih nabijanja. Slika 3 prikazuje odvisnost penetiraoije od srednje velikosti zrna. Debela črta predstavlja srednje vrednosti 16 meritev in je dokaj zanesljiva. Slika 3 Sprememba dolžine penetracije s srednjo velikostjo zrna peska2 Trošenje je tudi tu zelo veliko. Za boljšo orientacijo so dodatno navedene tudi oznake uporabljenih peskov. Na sliki 5 vidimo tudi, da je pene-traoija pri krajšem času nabijanja večja kot pri daljšem. Veliikost zrna peska se navadno definira tudi s številom zrnatosti po AFS. Odvisnost penetracije od števila zrnatosti je podana na sliki 4. Vidimo, da je to pravzaprav obratna slika diagrama na sliki 3. Število zrnatosti [~AFsJ Slika 4 Sprememba dolžine penetracije s številom zrnatosti peska2 To je popolnoma razumljivo, saj je število zrnatosti po AFS samo drug izraz za velikost zrn. Z velikostjo zrna in stopnjo nabijanja je določena propustnost za pline. Ta je za penetracijo jekla zelo pomembna, ker predstavlja merilo za srednji premer por med zrni. čim manjši je srednji premer por, tem manjša je penetracija. Odvisnost penetracije od propustnosti kaže slika 5. 100 • • • m • _ 50 100 150 200 250 300 Propustnost Slika 5 Sprameimba dolžine penetracije s propustnostjo2 Pri istem pesku je penetracija odvisna od gostote nabijanja in trdote forme. Vpliv ferostatičnega pritiska na penetracijo je zelo očiten. Odnose prikazuje slika 6. Srednja vrednost poteka krivulje je potrjena s 16 meritvami. Trošenje tu ni tolikšno kot pri prej opisanih parametrih. Višina vlivanja na penetracijo nd imela vidnega vpliva. Tudi vpliv livne temperature ni očiten. POJAV PENETRACIJE NA JEKLENI LITINI PRI RAZLIČNIH MEŠANICAH3 Namen raziskav Glavni namen te raziskave je bil ugotoviti vpliv dodatka cirkonitncga, kromitnega in olivinskega peska mešanicam iz kremenčevega peska. Te dodatke so dodajali svežim mešanicam, ki se v zad- H30 H 31 H32 H33 H 34 H35 E E 300 £ 200 stresania m) stresania kpm) čas stresanp (60 kpm) E 300 E 5rednja velikost zrna |\nmj H 35 H34 H33 H 32 5s - čas stresdlja (20Hp m) 10s-čas stresanja(40kpm) ednja vrednost -čas stresanja(60kp m) stresanja(80 kpm) Dolžina penetracije JVnmJ o o ISJ o o o o < in< "D O 3 O 3T P 3 3 NO O O o o , 1 , Sililka 6 Sprememba dolžine penetracije s ferostatičnim pritiskom (pesek H35)2 njem času vse bolj uporabljajo za litje tudi večjih ulitkov. Pri tem pa seveda naletimo na problem penetracije. Prva vrsta poizkusov Pri konstantnih vrednostih dodatkov bentonka, škroba in vode so opazovali vpliv ferostatičnega pritiska in nabijanja na penetracijo čistih kremenčevih peskov H 32 in H 34 ter cirkonitnega, kro-mitnega in olivinskega peska. Druga vrsta poizkusov Raziskovali so vpliv dodatkov cirkonitnega, kromitnega in olivinskega peska kremenčevemu pesku, pri tem pa so bili konstantni dodatki ben-tonita, škroba in vode. Tretja vrsta poizkusov Raziskovali so vpliv povečanega dodatka škroba pri konstantnih vrednostih nabijanja, bentonita in vode. Proba za merjenje penetracije Pri vseh treh serijah poizkusov je bila uporabljena proba, ki jo kaže slika 7. u u u u u u u u u / J Hnn n n n n n n v \ % Slilka 7 Probni ulitak za merjenje volumna penetracije V valj premera 320 mm so vstavljali jedra iz preizkusnih mešanic. Jedra imajo dimenzije standardnih vzorcev za preiskavo mešanic. Tak način ima to prednost, da so lastnosti vsakega jedra točno poznane. Volumen penatraaije se meri po peskanju ulitka. V odprtino, ki je nastala zaradi odpadlega peska po peskanju, se nalije izmerjene količine vode. Rezultati raziskav Prva vrsta poizkusov je pokazala, da se pri kremenčevih peskih H 32 in H 34 ter pri cirko-nitnem pesku volumen penetracije pri določenem ferostatičnam pritisku naenkrat zelo poveča. Ta pritisk imenujemo kritični ferostatični pritisk. Kromiitni in olivinski pesek nista pokazala takega skoka penetracije. Odvisnost kritičnega ferostatičnega pritiska od vrste peska kaže slika 8. T iooo JL. * 800 600 400 S 200 » cirkonski jesek emenčev pese k H 34 krem encev pesek 0.0 0,4 0,1 0,2 0,3 Srednja velikost zrna [mm] Slika 8 Kritični ferostaitioni pritisk v odvisnosti od velikosti zrna različnih peskov pri 6 udarcih3 Pri tej vrsti poizkusov se je tudi pokazalo, da penetracija skoraj pri vseh preizkušanih vrstah peskov pada s številom udarcev nabijanja, v istem smislu pa kritični feroistationi pritisk raste. Vpliv dodajanja cirkonitnega, kromitnega in olivinskega peska na penetracijo in propustnost kažejo slike 9, 10 in 11. Zanimivo je, da penetracija pada skoraj v istem smislu kot propustnost. Iz tega bi skoraj lahko 60 40 20 6 Udarcev propustnost N. volu penet men acije V A N j 40 20 0 20 40 60 80 100 Dodatek cirkonskega peska Jut. 7.J Slika 9 Volumen penetracije in propustnost v odvisnosti od dodajanja cirkonskega peslka kremenčevemu pesku H 34 pri 6 udarcih3 V too V propu 6 Udarcev stnost vc pen lumen / et racije • 60 20 20 80 M 100 40 60 Dodatek kromit. peska Slika 10 Volumen penetracije in propustnost v odvisnosti od dodajanja kromitnega peska kremenčevemu pesku H 34 pri 6 udarcih3 £ S C g e o $ 20 40 60 80 100 Dodatek olivin peska Jut 7.J Slika 11 Volumen penetracije in propustnost v odvisnosti od dodajanja olivinskega peska kremenčevemu peslku H 34 pri 6 udarcih3 sklepali, da vpliva na penetracijo bolj propustnost, kot pa kemijska sestava zrna. Dodatek kromitnega in olivinskega peska kremenčevemu pesku znižuje zmehčišče mešanice. To dokazuje slika 12. 1400 20 40 60 80 100 Dodatek [•/. ] Slika 12 Vpliv dodatkov eirkonitnega, kromitnega in olivinskega peska na tališče kremenčevega peska H 343 Zato dodajanje teh dveh peskov ne pride v poštev. Jedra iz teh mešanic so imela sicer majhno penetracijo, zato pa so se znatno deformirala pod vplivom visokih temperatur. Pri približno enakih dodatkih veziv in vode je penetracija padala z zmanjšano propustnostjo. Odnose kaže slika 13. 100 80 60 40 20 | 1 v v A > V o' O O C ^ /'v. A • • □ / ■ ■ 0 2 0 40 60 B 0 1 30 ProDustnost Silika 13 Odvisnost volumna penetracije ob propustnosti pri različnih mešanicah s približno enako vsebnostjo škrobnega veziva3 Trošenje je sicer znatno, vendar je jasno vidna tendenca zmanjšanja penetracije s padajočo propustnostjo. Povečan dodatek škroba je sicer zmanjšal propustnost, vendar je kljub temu vplival na povečanje penetracije in zmanjšanje kritičnega pritiska. Zaključki Kritični fero statični pritisk mora biti poznan, da ga ne bi prekoračili. Pesek z manjšim zrnom lahko zveča kritični fer o statični pritisk. Zaradi pocenitve mešanice se lahko cirkonitnemu pesku dodaja okrog 40 ut. °/o kremenčevega peska H 3 4. Priporoča se tudi uporaba peska s širšim območjem porazdelitve zrn. Uporaba čistih kromitnih oliv in-s k i h peskov je omejena zaradi prenizkega zmehčišča. Morda bi bila možna ob uporabi drugih veziv. To se še raziskuje. Mešanice kremenčevega peska s kromitnim in o 1 i v i n s k i m niso uporabne. Dodatek škroba je treba omejiti. Formarski material je treba čimbolj tesno nabiti, če hočemo zmanjšati penetracijo. Pri tem je treba poudariti, da nabijanje, ki bi preseglo 9 udarcev nabijal nega aparata, ne poveča gostoto skoraj nič več. NEKAJ LASTNIH IZKUŠENJ PRI OPAZOVANJU PENETRACIJE Penetracija na ulitkih iz ogljikovega nelegirane-ga in malo legiranega jekla V praksi smo često naleteli na problem pene-tracije, posebno pri majhnih jedrih v masivnih ulitkih in po kotih na masivnih ulitkih. Posebno jedra so delala velike težave, ker so težko dostopna pri čiščenju. Problem smo najprej skušali rešiti z uporabo cirkonitnega peska. Penetracija ni bila pri tem nič manjša. Slike 14, 15 in 16 kažejo mi- Sliika 14 Mikroskopski posnetek penetracije jekla v cirkonitni pesek (pav. 50 X) Slika 15 Mikroskopski posnetek penetracije jekla v cirkonitni pesek (pav. 100 X) Slika 16 Mikroskopski posnetek penetracije jekla v cirkonitni pesek (pav. 400 X) kroskopske slike obrusov penetrirane mase iz cir-konitne mešaince in jekla pri različnih povečavah. Svetlo polje predstavlja jeklo, ki je prodrlo med zrna cirkonita, temno polje pa so zrna cirko-nita in veziva, ki jih je oblila masa jekla. Seveda bi kazalo poizkusiti z različnimi granu-lacijami cirkonita, vendar teh ob težkih uvoznih pogojih ni na voljo. Poizkusili smo s spreminjanjem granulacije kremenčevega peska in z uporabo različnih veziv. Že leta 1965 smo objavili nekaj rezultatov,4 ki smo jih dobili z orientacijskimi poizkusi. Te poizkuse smo izvedli v redni proizvodnji tako, da smo vzorce preizkušanih mešanic vstavljali v nalitke. En tak primer kaže slika 17. Penetracijo smo ocenjevali tako, da smo nali-tek odrezali po sredini preizkusnih jeder in nato merili globino penetrirane mase na čelni strani jedra. Sestave mešanic s slike 17 so sledeče. Slika 17 Prerez skozi jedra za preizkušanje penetracije Mešanica I: 50'»/o peska V2/II, 50% peska MPPi + 8 o/0 ben-toni ta V 6 + 8 % vode Propustnost v sušenem stanju: 45 cm3/cm3 min. Mešanica 2: Pesek G 5 +8 0/0 bentonita V 6 + 8 °/o vode Propustnost v sušenem stanju: 90 cm3/cm3 min. Mešanica 3: Presojana masa K+ (zrna pod lmm)+8% bentonita V 6 + 8 ">J0 vode. Propustnost v sušenem stanju: 32 cm3/cm3 min. Mešanica 4: Presejana masa K + 3 °/o lanenega olja Propustnost v sušenem stanju: 30 cm3/cm3 min. + masa K se uporablja za kisle obloge indukcijskih peči. Iz teh prvih poizkusov smo lahko zaključili sledeče: 1. Penetracija pada s propustnostjo. Ta ugotovitev se dobro sklada z ugotovitvami prej in kas-sneje objavljenih tujih del. 2. Pri skoraj enaki propustnosti mešanic 3 in 4 je penetracija manjša, če smo uporabili za vezivo organsko snov namesto anorganske. To ugotavlja tudi tuja litertora.5 Ta dva zaključka sta se potrdila tudi s kasnejšimi poizkusi. V teh je bila osnovna masa neprese-jana masa K, ki se uporablja za nabijanje indukcijskih talilnih peči. Masa ima zelo široko razporeditev zrn po sitih. Ko smo to maso vezali z 8 °/o bentonita, smo dobili zeilo močno penetracijo, čeprav je bila propustnost pod 10. Mikroskopske posnetke penetrirane mase kažejo slike 18, a b; 19 a, b in 20. Slika 18 a) nejedkano Mikroskopski posnetek penetracije jeikla v maso K -I- ben-tonit b) jedikano Slika 19 a) nejedkano Mikroskopsiki posnetek penetracije jekla v maso K + ban-tooit. V masi jekla so ostali otočki ognjestalnega materiala (pov. 100 X) SUka 20 Mikroskopski posnetek penatracije v maso K + bentonit Svetlo polje predstavlja z jedkanjem odkrito strukturo jcikla. Temno polje je ognjestalni material (pov. 100 X) Na posnetkih a ni bilo uporabljeno jedkalo in se zato kaže jeklo kot svetlo polje med zrni peska, na posnetkih b pa je bilo uporabljeno jedkalo, ki je odkrilo strukturo penetriranega jekla. Na posnetku 18 b je dobro viden lamelami perlit. Sfika 21 Makroslkop®ki posneitek obrusa pemetrirane mase (masa K + benitonit (pov. 100 X) Makroskopski izgled brousa penebrirane mase kaže slika 21. Ko smo pri isti masd K uporabili za vezivo samo 3°/o samostrjevalnega olja, smo dobili jedro, ki se je odlično upiralo penetraciji. Propustnost je bila 7. Razlika med uporabo bentonita in vezilne-ga olja pri isti osnovna masii je očitna. Postopek s samostrjevakuira oljem zahteva precej časa za strjevanje, zato delamo poizkuse z drugimi vezivi, ki hitreje reagirajo, ali pa z lanenim oljem, ki smo mu dodali nekaj bentonita. Tako dobimo jedro s tako trdnostjo v svežem stanju, ki omogoča, da se jedro vzame iz jedrnika. Mislimo, da anorgansika veziva delujejo škodljivo iz več vzrokov: 1. Zbirajo fina zrna peska v skupke in onemogočajo pravilno razporeditev finih zrn okrog velikih. 2. Znižuje tališče osnovne mase, ki z oksidi jekla lahko tvori evtektiane spojine. Tako se ustvarja prosta pot za penetracijo jekla. Organska veziva (predvsem olja in smole) pa delujejo ugodno, ker: 1. omogočajo pravilno razporeditev finih zm okrog velikih in tako omogočajo maksimalno gostoto. Ta gostota pa ni dosežena z nekim manj odpornim polnilom, ampak s čistimi kremenčevimi zrni. 2. preprečujejo oksidaoij&ko atmosfero, ki je v veliki meri odgovorna za penetracijo. Za primerjavo odpornosti proti penetraciji sta bili v isti masivni ulitek vstavljeni dve jedri, ki sta obremenjeni popolnoma enako. Jediro 1 je bilo izdelano iz mešanice peska MPP-1 + 5 °/o kremenčeve moke + samostrjevalno veziivo, jedro 2 pa je bilo izdelano iz mase K + 3 o/o samostrjevalnega veziva. Jedro 1 je bilo pene-trirano po vsem volumnu, jedro 2 pa je odpadlo iz ulitka skoraj brez čiščenja. Penetracija na ulitkih iz litine 12 »/o Mn Čeprav ob začetku uvajanja sintermagnezita v proces formanja ni bilo težav in se je ta material pokazal kot odličen, je v zadnjem času opaziti vse več ulitkov z močnim slojem penetriranega materiala. Normalno sintermagnezit odpade po iztre-sanju sam od sebe in je ulitek popolnoma gladek s tanko plastjo oksidne škaje. V primeru penetracije pa so posamezni deli ali ves ulitek zaviti v plast penetrirane mase, ki se sicer ne drži ulitka, se pa zelo težko odstrani, ker je neprekinjena in zelo žilava. Mikroskopske posnetke obrusa penetrirane mase kaže slika 22 a, b, c. Pri penetraciji na ulitkih 12 o/o Mn se opazita dve plasti: plast na ulitku je žilava in sestavljena iz jekla in formarskega materiala, za njo pa sledi plast popolnoma staljenega formarskega materiala, ki polagoma prehaja v sintrano in nato v nevezano stanje. Obe plasti sta ločeni med seboj in od ulitka. Vzroki za to vrsto penetracije še niso natančno raziskani. Zato tudi zanesljiva pomoč še ni znano raziskani. Zato tudi zanesljiva pomoč še ni poznana. Vsekakor gre za neko odstopanje od normalnega postopka pri procesu izdelave ali pri surovinah. Iskanje pravega vzroka pe je predmet nadaljnjih raziskav. Avtor se zahvaljuje za sodelovanje sodelavcem iz obrata livarne železarne Ravne, metalografske-ga laboratorija in laboratorija za preiskavo livarskih materialov. Literatura 1. Atlas livačkih pogrešaka, Metalbiro, Zagreb 2. A. Kolorz, K. Orths, Giesserei, 1966/22, str. 733 do 739 3. H Lopau, H. Hoffmeister, Giesserei, 1966/22, str. 739—748 4. S. Lenasi, Livnice 3/4, str. 129—139 5. G. P. Kim, A. V. Goroh, R. F. Peršina, Litejnoe proiz-vodstvo, 1966, 10, str. 20—21 Slika 22 Mikroskopsiki posnetki penetracije v sintermagnezitu. Svetla polja so jdklo 12% Mn, temna polja pa ognjestalni material a, b, c predistavljaj o raalione predele penetrirane vone. (pov. 100 X) ZUSAMMENFASSUNG Der Artikel behandelt die Feststellungen einiger frem-der Autoren iiber das Auftreten von Penetration auf Stahl-abgussen. Besonders lehnt er sich auf den »Bericht Nr. 24 des Aussohusses VDG fiir Former- und Hilfsmateriale fiir die Giesserei« und den Artikel »Auftreten von Penetration auf Stahlguss bei verschiedenen Formermischungen«. Es sind auch einige heimische Erfahrungen bei Beobachtung der Penetration auf Abgussen aus nichtlegierten, schwach-legierten und Manganstahlen angefiihrt. SUMMARY Article is dealing with establishments of some foreign authors about penetration on steel castings. Mainly it is leaning on »Report No. 24 of VDG committee for pattern and auxiliary foundry materials« and article »Penetration phenomenon on steel castings at different pattern mix-tures«. Some domestic experiences are given which vvere made by penetration observations on plain,' low alloyed and manganese steel.