R. Doepp* institute for Metallurgy, Technical University Clausthal, Germany / Inštitut za metalurgijo, Tehnična univerza v Clausthalu, Nemčija Prispevek k strukturi in lastnostim temprane litine Contribution to Structure and Properties of Malleable Cast Iron 1 Sestava in struktura 1 Composition and structure Zaradi kemijske sestave z 2-4 % C in 2-0,5 % Si skupina temprane litine prehaja od litega jekla na eni strani (najv. 2 % C) do litega železa z lamelastim, vermikularnim in sferoidnim grafitom na drugi strani (normalno z najm. 3 % C in 2 % Si). Nekaj podrobnosti je prikazano na Sl. 1 na podlagi trditev švicarskih livarn VSE 1970 [1] v primerjavi z [2]. Sl. 2 prikazana območja C in Si pri tehničnih zlitinah Fe-C-Si na podlagi trditev C. F. Waltona in T. J. Oparja [3], primerjava [4; 5], dopolnjeno z novimi standardnimi okrajšavami EN GJL, GJS, CTeL, BTeL in metalurškimi ravnotežnimi temperaturami TG za zmanjšanje SiO2 s pomočjo C [6; Due to its chemical composition with 2 to 4 % C and 2 to 0,5 % Si the group of malleable cast iron ranges between cast steel on the one side (max. 2 % C) and cast iron with lamellar, vermicular and spheroidal graphite on the other side (normally min. 3 % C and 2 % Si). Some details shows Fig. 1 following Swiss Iron Foundries VSE 1970 [1], compare [2]. Fig. 2 shows C- and Si-areas of technical Fe-C-Si-alloys, originally following C. F. Walton and T. J. Opar [3], compare [4;5], completed by new EN standard abbreviations GJL, GJS, GJMB, GJMW and with metallurgical equilibrium temperatures TG for the reduction of SiO2 by C [6; 7]. yun Sl. 1. Diagram Fe-C z litimi materiali Fe-C na podlagi Združenja švicarskih livarn (VSE) 1970 [1], sest. [2] Fig. 1. Fe-C-Diagram with cast Fe-C-Materials, following Association of Swiss Iron Foundries (VSE) 1970 [1], comp. [2] 100 Livarski vestnik, letnik 65, št. 2/2018 Sl. 2. Območja tehničnih zlitin Fe-C-Si, prvotno na podlagi trditev C. F. Waltona in T. J. Oparja [3], dopolnjena z novimi standardnimi okrajšavami GJS, CTeL, BTeL in metalurškimi ravnotežnimi temperaturami TG za zmanjšanje SiO2 s pomočjo C [6, 7], sest. [4, 5]. Fig. 2. Areas of technical Fe-C-Si-alloys, originally by C. F. Walton and T. J. Opar [3], completed by new standard abbreviations GJL, GJS, GJMB, GJMW, and with metallurgical equilibrium temperatures for the reduction of SiO2 by C [6,7], comp. [4,5] Sl. 3. Zadnja različica Sl. 2 [9; 10] Fig. 3. Last version of Fig. 2 [9; 10] 100 Livarski vestnik, letnik 65, št. 2/2018 7]. Tipična sestava je 3,5 % C in 0,5 % Si za litino BTeL ter 2,5 % C in 1,5 % Si za litino CTeL. Obe vrsti spadata med »bela železa«, kajti v litem stanju se morajo vse taline za temprano litino strditi »belo« oziroma metastabilno, pri čemer se med evtektično reakcijo tvori ledeburit »talina A avstenit + Fe3C«. Vrednosti K za nagibanje h grafitiranju na podlagi trditev H. Lapanche [8] morajo biti v polju I diagrama C-Si. Najnovejša različica Sl. 2 je Sl. 3, ki sta jo pripravila S. Ratkovic in R. Doepp [9; 10]. Pri primerjavi litine BTeL pri ravnotežni temperaturi (TG) ~1370 °C in litine GJL pri ravnotežni temperaturi (TG) ~1430 °C, pri čemer vsebujeta oba materiala 3,5 % C in različne vrednosti Si (0,5 in 2,0 %), je mogoče opaziti pozitivni učinek nižjih vrednosti ravnotežnih temperatur na belo strukturo in manjšo količino žlindre. Typical compositions are 3,5 % C and 0,5 % Si for GJMW and 2,5 % C and 1,5 % Si for GJMB. Both types belong to "white iron", because in the as cast state all melts for malleable cast iron have to solidify "white", that means metastable, forming Ledeburite during the eutectic reaction "Melt ^ Austenite + Fe3C". The K-values for graphitization tendency following H. Laplanche [8] must be located in field I of the C-Si-diagram. The last version of Fig. 2 is Fig. 3 from S. Ratkovic and R. Doepp [9; 10]. Comparing GJMW with TG ~1370 °C and GJL with TG ~1430 °C, both materials with 3,5 % C, but different Si-values (0,5 and 2,0 %), the positive effect of lower TG-values on the tendency to white structure and reduced slag can be assumed. Sl. 4. Duktilni in krhki liti materiali iz Fe-C), avtorji A. Engels, H. Kowalke, P. Tölke, H. G. Trapp, H. Werning: Temperguss, ein duktiler Gusseisenwerkstoff, Zentrale für Gussverwendung (ZGV), Düsseldorf 1983, str. 4, Sl. 1; sest. [9] Fig. 4. Ductile and nonductile Fe-C-cast materials, by A. Engels, H. Kowalke, P. Tölke, H. G. Trapp, H. Werning: Temperguss, ein duktiler Gusseisenwerkstoff, Zentrale für Gussverwendung (ZGV), Düsseldorf 1983, p. 4, Fig. 1; comp . [9] 100 Livarski vestnik, letnik 65, št. 2/2018 2 Struktura in lastnosti Zaradi relativno kompaktne oblike tempranih ogljičnih grud (Sl. 4) ulitki iz temprane litine združujejo visoko trdnost z visoko voljnostjo, kar je podobno kot pri nodularni litini. Predvideni tok napetosti Sl. 5 je mnogo boljši kot pri litini GJL in podoben kot pri litini GJS, vendar pa ne dosega idealne vrste litega jekla, ki ima vselej enako kovinsko matriko. Po drugi strani grafitni vključki neodvisno od vrste grafita izboljšujejo temperaturno prevodnost in odpornost proti toplotni deformaciji. Optimalni prenos toplote zagotavlja litina GJL, kar je eden glavnih razlogov za uporabo pri izdelavi avtomobilskih delov. Ker ima litina BTeL razogljičeno zgradbo oz. vsaj feritni, omogoča varjenje brez večjih težav. Na podlagi trditev britanskega kolega Jacka Hilla (Svetovni livarski kongres v Budimpešti) številne težave nastopijo med 2 Structure and Properties Due to the relative compact shape of the temper carbon nodules (Fig. 4) the malleable castings combine high strength with high ductility, similar to nodular cast iron. The assumed stress flow (Fig. 5) is far much better than with GJL and similar to GJS, but does not reach the ideal type of cast steel, always with the same metallic matrix. On the other hand graphite inclusions, independent from the graphite type, improve heat conductivity and resistance against thermal deformation. Optimal heat transfer guaranties GJL, which is one main reason for application in automotive parts. Because GJMW has a decarburized structure, at least a ferritic rim, it can be welded without severe problems. Following the British colleague Jack Hill (World Foundry Congress Budapest) a lot of problems lie between liquidus and solidus temperature, that is during solidification. Sl. 5. Predvideni tok napetosti skladno z VDG - Združenjem nemških livarjev 1984, sest. [2], str. 11 Fig. 5. Assumed stress flow, according to VDG - Verein Deutscher Gießereifachleute 1984, comp. [2], p. 11 100 Livarski vestnik, letnik 65, št. 2/2018 Sl. 6. Vpliv vsebnosti ogljika, material za nalaganje (grodelj in odpadno železo), lastnosti taline (čas obdelave pred ulivanjem; livna temperatura) in obdelava taline (dodatek Bi) na vrsto strjevanja primarnega avstenita ter odpornost proti razpoku v vročem [11; 12], sest. [5] Fig. 6. Influence of carbon content, charge material (pig iron and steel scrap), melt conduct (holding time before pouring; pouring temperature) and melt treatment (Bi-addition) on the solidification type of primary austenite and on the resistance against hot tearing [11;12], comp. [5] I I! Ill IV V VI Sl. 7. Predlagani graf za šest tipov dentritskega strjevanja in dejanski primeri primarnega avstenita [11; 12], sest. [5] Fig. 7. Proposed chart for 6 types of dendritic solidification and real examples of primary austenite [11;12], comp. [5] temperaturo likvidusa in solidusa, torej med strjevanjem. To je najpomembnejše pri litini CTeL z višjim intervalom strjevanja zaradi nižje vsebnosti ogljika. Glavno težavo predstavlja visoka nagnjenost k razpoku v vročem. Zato sta W. Patterson in R. Doepp [11] raziskala lastnosti primarnega avstenita med strjevanjem. Rezultat teh petletnih naporov This is most important for GJMB with its higher solidification interval due to the lower carbon content. The main problem was a high tendency to hot tearing. Therefore, W. Patterson and R. Doepp [11] investigated the solidification behaviour of primary austenite. The result of a 5 years thesis work [11;12] with numerous coworkers at 100 Livarski vestnik, letnik 65, št. 2/2018 20 25 A P4) Sl. 8. Natezna trdnost in raztezek določenih litih Fe- in Al-zlitin, »Comparison of Meehanite ADI with other materials", prospekt družb JOT, Oddelek za strojni inženiring, Finska, sest. [9], str. 131, Sl. 10, s predlaganimi izboljšavami Fig. 8. Tensile strength and elongation of some cast Fe- and Al-alloys, "Comparison of Meehanite ADI with other materials", prospect JOT-companies, Mechanical Engineering Division, Finland, comp. [9], p. 131, Fig. 10, with proposed improvements [11; 12] v sodelovanju s številnimi sodelavci na Tehniški univerzi v Aachnu prikazuje Sl. 6 [13]. Želeniendogeni tip primarnega avstenita se uporablja zaradi nižje vsebnosti ogljika, večje vsebnosti grodlja pri nalaganju, daljšega časa obdelave pred ulivanjem, nižje livne temperature in dodatka Bi talini. Predlagani graf s šestimi tipi dentritskega strjevanja (Sl. 7 [14]) bi lahko bil uporaben tudi za številne druge neevtektične zlitine, npr. na osnovi Al, Mg, Cu, ne smemo pa pozabiti niti na jeklene litine. V zvezi z natezno trdnostjo in raztezkom Sl. 8 [15] s Finske kaže dober položaj temprane litine (zelena) med vermikularnim (modra) in sferoidnim grafitnim litim železom (rdeča). Litina GJS tipa ADI (vijoličasta) je lahko predlog za lito jeklo (svetlo rdeča; jeklo je bila osnova), GJL (siva, spodaj levo), GJV (modra), CTeL in BTeL (zelena), kajti posebna toplotna obdelava se nanaša na kovinsko matriko neodvisno od vrste grafita. the Technical University of Aachen shows Fig. 6 [13]. The wanted endogenous type of primary austenite is promoted by lower carbon content, increasing amount of pig iron in the charge, longer holding time before pouring, lower pouring temperature and Bi-additon to the melt. The proposed chart of six types of dendritic solidification (Fig. 7 [14]) may be useful for a lot of other noneutectic alloys, too, f.i. on base of Al, Mg, Cu and not to forget for steel alloys. Concerning tensile strength and elongation, Fig. 8 [15] from Finland shows the good position of malleable cast iron (green) between vermicular (blue) and spheroidal graphite cast iron (red). The ADI-type of GJS (violet) may be a proposal for cast steel (light red; steel was the origin), GJL (gray, quite left down), GJV (blue), GJMB and GJMW (green), because the special heat treatment refers to the metallic matrix, independent of graphite type. 100 Livarski vestnik, letnik 65, št. 2/2018 3 Napredni proizvodni procesi [16] En primer je gravitacijsko litje tempranih talin v trajne forme [17; 18]. Izkoristek se pri litju v pesek zveča s približno 40 na 50 %, pri litju v trajne forme pa na približno 60-80 3 Progressive Production Processes [16] One example is gravity casting of malleable melts into permanent molds [17; 18]. Yield increases from about 40 to 50 % in case of sand casting to about 60 to 80 % in case of 100 80 ■o rtnLjU'i[ litaiii1 LVlaiurif Ma % OJ*» iMmgravc WnraTJ ftrknellhSJW lim iriJ^Tinufh I KB KwwdcViCT >iuiMlWf min. ntin. min. ram. EN-GJMW- SHM EKJMtOlO i 9 IZ U 270 310 jsd 360 10 j 4 i 2» iln-ÜJMW- MMl2) RH-JMIMO J) i 13 Ii H» HO sro 16 Ei ii 7 -1) ¡70 in 200 3)0 en-GIMW- «0.5 EN-JM [030 6 9 u is Ä0 400 430 12 5 4 -1, s» 225 2.10 220 13WUMW- 450-7 ENiUl04fl 6 9 iz IS 330 400 450 4490 12 10 7 4 -l> 230 260 280 220 EH-GUMW- SHU EN-JMIOSO & 9 12 IS 490 m 170 i 4 3 -'> 310 340 350 254 ') Wcfvn do Sthwicttfjitk der BcMinimung der Dclmpm« jn ticwirt fwtw itHKiin Jit Wale nod dii MdkKdtode mistnen McrHclln ™d Kjlllfr his Rum iSirtpwAt Lhji AiuiuJunt: dtr ficswllung ¡Elbart *vcidcn Der mm Schweifen gctieiKl-J.i Wcriü4ii[T. AMMLRKU^ 1; 1 Minim* fnlsprifhl 1 MÜ. ANMEJUOJNC J: Die Weriatuffbciddiiiuiig eirtsptiiH EN (WO. ANMERKUNG Dhc faigtJftickjfli Zahkn geben die M indGstzugfHl^glKfe und J.c Mimk"<(deluiung denen 'ij' Kunrwiclicn der Stflfi ■□f 'Cfdrvi ¡4. jouic del Tjcwymj^icn S'coiK^iL-Iuro ifcr Probe und die muprcchcnde MiodciA-OJ^-Dctuigmi« ;in. Preglednica 4. po K. Herfurth in R. Doepp [27] Table 4. Adapted from K. Herfurth and R. Döpp [27] ulitkov iz temprane litine, 13 % litega jekla, 30 % litine GJS in 55 % litine GJL [26]. Razvoj nacionalnih in evropskih standardov za temprano litino sta podrobneje preučila K. Herfurth in R. Doepp [27] v Preglednicah 2-6. Nove rezultate v zvezi z vrednostmi za lomno mehaniko bele temprane litine (BTeL) so objavili P.-V. Huebner, G. Pusch, O. Liesenberg, TU BA Freiberg/Sachsen, in R. Doepp, TU Clausthal [28]. To je primer uspešnega strokovnega in osebnega sodelovanja. 2008 were 2 % malleable castings, 13 % cast steel, 30 % GJS and 55 % GJL [26]. The development of national and European standards for malleable cast iron was discussed in detail by K. Herfurth and R. Doepp [27] with tables 2-6. New results concerning values for fracture mechanics of whiteheart malleable cast iron (GJMW) were published by P.-V. Huebner, G. Pusch, O. Liesenberg, TU BA Freiberg/Sachsen, and R. Doepp, TU Clausthal [28]. This is an example for successful professional and personal cooperation. 100 Livarski vestnik, letnik 65, št. 2/2018 WHlolûflhufichnji^ Duri+mcssff dej- Probe (Nennmafi) " J mit Zugfestigkeit Nimmî Dehnung aia % 02%-I'.+Jiiirm Vi, Nimm? Kur/yeiehen Nummer mili. man. nun. EN-CIMB- 30M i> EN-JMlllO ÎJ 12 «1er 13 .100 6 - lifUJIMB* 3.VK10 ËN-IMUW 12 «fcr 15 .150 10 200 EN-CJMB- «ic Dtiuing .Ii j Mtdaotg gemein. Preglednica 6. po K. Herfurth in R. Doepp [27] Table 6. Adapted from K. Herfurth and R. Döpp [27] 6 Povzetek Temprana litina se je tako v preteklosti in tudi zdaj izkazala na podlagi kemijske sestave, lastnosti strjevanja, strukture in lastnosti, dobre možnosti pa ima tudi v prihodnje [29]. 6 Summary Regarding chemical composition, solidification behaviour, structure and properties malleable cast iron has proofed in past and present time and has good chances in future, too, compare [29]. 100 Livarski vestnik, letnik 65, št. 2/2018 Zasluge za dognanja gredo tudi učiteljem, kolegom in sodelavcem v Aaachenu, Ennepetalu in Clausthalu. 7 Zaključek Ta prispevek je namenjen livarjem po vsem svetu, ki se s temprano litino srečujejo v praksi, pri raziskavah, razvoju in poučevanju. Dva kolega predstavnika sta bila g. Hans J. Heine, tehnični vodja društva livarjev temprane litine, Cleveland, Ohio, ZDA, in prof. dr. Milan Trbižan, inž., s Fakultete za naravoslovje in tehnologijo v Ljubljani ter Društvo livarjev Slovenije. Ta prispevek je posvečen tudi našemu družinskemu podjetju Friedr. Ischebeck GmbH iz Ennepetala, Nemčija, ki ga je leta 1881 ustanovil naš pradedek Friedrich Ischebeck kot livarno za primeže, v kateri se je nato leta 1912 začela proizvodnja temprane litine, poznejšim dodatkom k sivi litini. Te 105-letne izkušnje s postopki, vezanimi na temprano litino, so naša vstopnica v prihodnost. The assistance of teachers, colleagues and co-workers in Aachen, Ennepetal and Clausthal is gratefully acknowledged. 7 Conclusions This contribution is dedicated worldwide to all foundrymen, who are engaged with malleable cast iron in practice, research, development and teaching. Two representative colleagues were Mr. Hans J. Heine, Technical Director of the Malleable Founders Society, Cleveland, Ohio, USA, and Prof. Dr.-Ing. Milan Trbizan, Technical University of Ljubljana and Drustvo Livarjev Slovenije. Furthermore this contribution is dedicated to our family company Friedr. Ischebeck GmbH in Ennepetal, Germany, founded 1881 by our great-grandfather Friedrich Ischebeck as forge for vices, with a malleable cast iron foundry since 1912, later additional gray cast iron. These 105 years of experience in malleable cast iron procedure are a bridge into future. Viri / Literature: [1] VSE Verband Schweizerischer EisengieBereien: Das gegossene Eisen. Dokumentation uber Fertigung und Verwendung von Gusseisen, Stahl- und Temperguss. Verlag VSE, Zurich 1970, str. 17. Abb. 14 [2] R. Doepp: 100 Jahre Entwicklung: Gusswerkstoffe - Eisen-, Stahl- und Temperguss. Berlin 2009. VDG Fachbericht 090, Dusseldorf 2012, str. 10 [3] C. F. Waltona in T. J. Opar: Iron Castings Handbook, 3rd Edition, Cleveland USA 1981, str. 137 [4] R. Doepp, U. Kaeckenhoff, P. Sieben, G. Schmidt: Beitrag zur Metallurgie des HeiBwind-Kupolofens. Giesserei 80 (1993), št. 12, str. 385-390, še posebej str. 386, Sl. 2 [5] R. Doepp: Contribution to the development of cast materials. 66th World Foundry Congress, 6.-9. Sept. 2004, Istanbul, Turčija. Proceedings. Volume 1, str. 725 [6] W. Oelsen, K. Roesch, K. Orths: Beeinflussung des Kohlenstoffes des Giessereiroheisens beim direkten Guss vom Hochofen. Archiv Eisenhuttenwesen 26 (1955), št. 11, str. 641653 [7] W. Oelsen, E. Schurmann: Das Problem der Reduktion der Kieselsaure durch Kohlenstoff in Eisenschmelzen und seine Bedeutung fur Gusseisen. Giesserei, techn.- wiss. Beih., št. 19, 1958, str. 989-994; comp. Giesserei 45 (1958), št. 4, str. 99 100 Livarski vestnik, letnik 65, št. 2/2018 [8] H. Laplanche: Metal Progr. 52 (1947), str. 991-993; 55 (1949), str. 839-841; Fonderie 26 (1971), št. 297, str. 1-19; comp. Giesserei 38 (1951), št. 22, str. 577-580 (H. Pieper); Giesserei 77 (1960), št. 8, str. 161-164 (M. Lampic); comp. [5], str. 720, referenca [4] [9] R. Doepp: Beitrag zur Entwicklung der Eisen-Gusswerkstoffe. VDG Fachtagung Dusseldorf 2005, VDG Fachbericht 088, str. 121-134, še posebej str 129, Sl. 8 [10] R. Doepp: Beitrag zur Entwicklung der Eisengussdiagramme. VDG Fachausschuss Geschichte, Schaffhausen 2010; VDG Fachbericht 090, Dusseldorf 2012, str. 106-112, še posebej str. 112, Sl. 13 [11] W. Patterson, R. Doepp: Zum Einfluss der Rohstoffe, der Schmelzfuhrung und der Schmelzbehandlung auf das Erstarrungsverhalten von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, besonders Temperguss. Giesserei, techn.-wiss. Beih., 16 (1964), št. 2, str. 49-86; comp. Giesserei 51 (1964), št. 14, str. 414; št. 20, str. 591 [12] W. Patterson, K. Roesch, R. Doepp: Beitrag zum Erstarrungsverhalten von weiBem und grauem GuBeisen. Giesserei 52 (1965), št. 6, str. 161-171 [13] Oglejte si indeks [5], str. 725, Sl. 7 [14] Oglejte si indeks [5], str. 725, Sl. 5 [15] Oglejte si indeks [2], str. 20, Sl. 19 [16] Oglejte si indeks [5], str. 718-719 [17] R. Doepp, K. Lindemann: Beitrag zum Sand- und KokillengieBen von Eisenlegierungen. Giessereiforschung 35 (1983), št. 4, str. 135-150; comp. Giesserei 70 (1983), št. 26, str. 711; 71 (1984), št. 12, str. 486 (Leoben); št. 15, str. 611 (Clausthal) [18] G. Pistol, R. Doepp, P. R. Sahm: Hat Kokillenguss fur Eisenwerkstoffe neue Chancen? Giesserei 79 (1992), št. 10, str. 381-388 [19] R. Doepp, W. Gerhard, C. Land: Vacuum-Formverfahren mit Stahlsand - ein Schritt in Richtung Kokillenguss. Giesserei-Praxis 2005, št.12, str. 446-450 [20] R. Doepp, E. F. Ischebeck, D. Blankenagel: Temperguss fur Baugerate und Werkzeuge. konstruieren + giessen 1977, št. 2, str. 24-30 [21] H.-D. Landwehr: Schwarzer Temperguss. VDG Fachausschuss Geschichte, Dusseldorf 2015, GIFA, 20.6.2015, VDG Fachbericht demnachst (2017/2018) [22] P. Tolke: Entwicklung des Tempergusses - Grundlagen und Anwendungen. VDG Fachausschuss Geschichte, Dusseldorf 20.6.2015, oglejte is indeks [21] [23] R. Döpp: Weisser Temperguss. See [21] [24] R. Döpp: Eigenschaften von Eisen-Gusswerkstoffen. Beurteilung nach Schulnoten zur Orientierung. See [2], p. 13, table1 [25] see [2], p. 14, fig. 7 [26] see [2], p. 12, fig. 4 and p. 13, table 2 [27] K. Herfurth, R. Döpp: Europäische Normung: Temperguß - von DIN 1692 zu DIN EN 1562. Giesserei 85 (1998), Nr. 1, p. 64-66; compare konstruieren + giessen 22 (1997), Nr. 4, p. 15-17 [28] P.-V. Hübner, G. Pusch, O. Liesenberg, R. Döpp: Bruchmechanische Kennwerte von entkohlend geglühtem Temperguss. Giesserei 90 (2003), Nr. 5, p. 82-92; compare Bruchmechanische Kennwerte von Temperguss. Teil 2: Weisser Temperguss. konstruieren + giessen 28 (2003), Nr. 3, p. 18-25 (mit Versuchswerkstoffen der Firmen R. Woeste + Co. in Velbert, August Hitzbleck Söhne GmbH in Heilgenhaus und Friedr. Ischebeck GmbH in Ennepetal) [29] R. Döpp: Malleable cast iron - Material with future?! Contribution Portoroz 28.5.1998