Gjutjärn som konstruktionsmaterial

Transkript

1 Gjutjärn som konstruktionsmaterial Inlämningsuppgift i kursen kpp039 Kari Haukirauma Produktutveckling 3 Handledare Rolf Lövgren

2 Innehåll Inledning... 3 Vad är gjutjärn?... 4 Gråjärn... 6 Användningsområden för gråjärn... 6 Segjärn... 8 Användningsområden för segjärn... 9 Vitjärn Användningsområden för vitjärn Aducerjärn Användningsområden för aducerjärn Kompaktgrafitjärn CGI Användningsområden för kompaktgrafitjärn CGI Sammanfattning av vad som utmärker de olika gjutjärnen Reflektion Källförteckning

3 Inledning Under höstterminen 2010 har vi i kurserna Produktutveckling 2 samt Produktutveckling 3 fått chansen att jobba med två olika projektarbeten. Det ena handlade om att ta fram en konceptsäng. Det andra projektet, där jag deltog, bestod av att hitta nya användningsområden för en existerande produkt i form av en domkraft. Som ett delmoment i kursen Produktutveckling 3 fick vi i uppgift att fördjupa oss i någonting som hade med vårt projekt att göra. Tanken var att man skulle försöka få en djupare kunskap om någonting som man hade kommit i kontakt med under projektet, samt att man skulle välja någonting som man själv var intresserad av att veta mer om. Då den modul som vi inom projektgruppen tog fram skulle gjutas, fick jag iden att titta närmare på gjutjärn som konstruktionsmaterial. Jag tyckte att det verkade intressant och ville veta mer om vad som utmärker gjutjärn och hur de används inom tillverkning. 3

4 Vad är gjutjärn? Vanligtvis innehåller gjutjärn mellan 2,1% till 4% kol, höga koncentrationer av kisel och större koncentrationer föroreningar än i stål. Man kan genom olika slags kemiska sammansättningar, samt svalningshastigheter påverka utformningen av gjutjärnet. De typer av gjutjärnet som därmed fås innehar olika egenskaper, som bör tas tillvara på bästa sätt vid bearbetning och konstruktionsplanering. Gjutjärn delas in i fem olika sorters järn med olika egenskaper. Gråjärn, segjärn och vitjärn har i stort sätt samma sammansättning, dvs. mellan tre och fyra procent kol samt en till fyra procent kisel. När kiselhalten är relativt hög och svalningshastigheten låg, bildas det som kallas för gråjärn. Det som är utmärkande för gråjärnet är att det är segare än vitjärnet, och består av ferrit och perlit, samt att kolet uppstår som fjäll av grafit. Om kiselhalten är lägre, bildas ingen ferrit i gråjärnet, utan bara perlit, kolet uppkommer dock alltid i grafitform. Vid höga svalningshastigheter och en relativt låg kiselhalt bildas det så kallade vitjärnet. Det kännetecknas av att materialet är väldigt sprött och består av perlit och kol i form av cementit. Man kan använda sig av CE, (kolekvivalent) för att särskilja vitjärn och gråjärn. En hög kylningshastighet och en låg kolekvivalent ger vitjärn, medans en låg kylningshastighet och en hög kolekvivalent ger gråjärn. Kolvekvivalent som hjälper att särskilja vitjärn och gråjärn 4

5 För att öka segheten hos gjutjärnet kan detta uppnås genom ympning med låga halter av magnesium (0,03-0,06%). Det som inträffar är att kolet bildar sfärer av grafit och inte som hos gråjärnet fjäll. Det man uppnått genom denna behandling är en större seghet och en typ av gjutjärn som kallas just för segjärn. Genom en värmebehandling av vitjärn kan man få något som kallas för aducerjärn. Processen sker i två steg, där man försöker få till en omvandling av järnstrukturen så att ferrit, perlit och temperkol fås fram istället för perlit och cementit. Grafiten som finns kallas i detta fall för just temperkol, och förekommer i form av knutar, vilket skiljer aducerjärnet från gråjärnet där grafiten finns i form av fjäll. Det sista av gjutjärnen kallas för kompaktgrafitjärn. Det används då man kräver större styrka eller lägre vikt än gjutjärn. Det som skiljer kompaktgrafitjärnet från gråjärnet är att grafitpartiklarna är kortar, tjockare och mer maskformiga, vilket medför starkare vidhäftning mellan grafit och järn och ger materialet en större draghållfasthet. Detta erhålls genom noggrann tillsättning av magnesium. Grafitstruktur gråjärn. Grafitstruktur kompaktgrafitjärn Grafitstruktur segjärn 5

6 Gråjärn Den fjällgrafitiska struktur som kolet bildar i gråjärnet ger det den god gjutbarhet, hög skärbarhet och en bra vibrationsdämpande förmåga. Det karaktäristiska gråa brottet som bildas i materialet är en följd av det fria kolet som finns utskiljt i form av fjäll i grundmassan. Andra bra egenskaper till följd av grafitstrukturen är bullerdämpning, kortspånande egenskaper vid skärande bearbetning och ett gott motstånd mot glidande nötning. En egenskap som hänger ihop med fjällstrukturen och som kan betraktas som negativ är den låga segheten, om man tänker rent hållfasthetsmässigt. Men den låga segheten kan utnyttjas vid efterbearbetning av gjutgodset då det underlättar avlägsning av ingöt och matare. Hur pass tjocka fjäll som uppstår styrs av stelningshastigheten, där snabb svalning ger finare fjäll och långsam svalning ger grövre. Man kan uppnå olika egenskaper med samma materialsammansättning, då stelningstemperaturen är olika för olika godstjocklekar. Hållfastheten hos gråjärn varierar med godstjockleken, man pratar om att gråjärn är sektionskänsligt. Med hjälp av olika legeringsämnen kan materialegenskaper ändras och förbättras. Om man tillsätter låga halter av krom nickel och molybden, kan man öka materialets hållfasthet, hårdhet och slitagemotstånd. Tillsätter man däremot bara nickel, eller nickel och krom kan man öka värme- och korrosionsbeständigheten, då man får en austenitisk grundmassa. En del äldre typer av gråjärn kan innehålla stora mängder svavel och fosfor, vilket kan försvåra svetsning. Moderna gråjärn har dock mycket bättre kvalitet, och kan om tillsatsmaterial och svetsprocedur anpassas, svetsas helt utan problem. När man pratar om gjutning av gråjärn, är sandgjutning inklusive skalformning absolut vanligaste formen. Men även centrifugal- och stränggjutning används, och i vissa fall förekommer dessutom kokillgjutning. När även priset för gråjärn är relativt lågt, lämpar sig gråjärnet mycket väl som konstruktionsmaterial. Användningsområden för gråjärn Gråjärn är idag vanligaste typen av gjutjärn och används bland annat till: Brunnslock Motorblock 6

7 Pumpar Ventiler Maskinstativ Rördelar Cylinderhuvuden Bussningar Bromsskivor Bromstrummor brunnslock av gråjärn Bromsskivor av gråjärn Elmotor av gråjärn Avluftningsventil av gråjärn 7

8 Segjärn Segjärn är segare och har högre hållfasthet än gråjärn. En del segjärn kan uppnå slagseghet jämförbart med olegerat stål. Om man tillsätter Magnesium vid smältningsprocessen, förvandlas materialet från sprött till segt samtidigt som hållfastheten ökar. Detta beror på att den tidigare fjälliga kolstrukturen omvandlas till mer kulformig (nodulärt). Materialegenskaperna styrs i högsta grad av ferrit/perlit-kvoten i massan. Även om ferriten är mjukare och har lägre hållfasthet än perliten, så ger den segjärnet den seghet som är så viktig. Gråjärn har goda glidegenskaper och god skärbarhet, vilket ges av den fria grafiten som finns i materialet. Tillsatser av olika legeringsämnen ger möjlighet att reglera materialegenskaperna ytterligare. En hög tillsats av nickel gör att god värme- och korrosionsbeständighet kan uppnås. Segjärn har även ett gott motstånd mot termisk utmattning, då grundmassan är austenitisk. Hållfastheten kan påverkas genom variation av sammansättningen. Genom att variera t.ex. kopparhalten när materialet är i gjuttillstånd, kan hållfastheten ökas eller minskas. Ju mer koppar desto mer perlit i grundmassan vilket leder till ökad hållfasthet och lägre seghet. Svetsning i segjärn är liksom hos gråjärnet möjligt, förutsatt att tillsatsmaterial och svetsprocedur anpassas. Den vanligaste formen för gjutning när det gäller segjärn är sandgjutning. Men även centrifugal- och stränggjutning används. Gjutning 8

9 Användningsområden för segjärn Segjärn har ett brett urval av användningsområden tack vare dess seghet och höga hållfasthet. En bransch som förstått segjärnets goda egenskaper är transportindustrin. Mycket på grund av att det går att gjuta tunnväggiga gods som är väldigt stabila och starka, har användningen av segjärn inom fordonsindustrin ökat stadigt. Segjärn används för att bland annat tillverka: Rör Valsar Konsoler Avgasgrenrör Axelkåpor Gatugods Hjulnav Vevaxlar Differentialhus Maskinstativ Belysningsdetalj av segjärn. Vridspjällventil i segjärn 9

10 Vitjärn Det som främst kännetecknar vitjärnet är dess hårdhet delvis dess sprödhet. Detta beror på att i vitjärnet är kolet bundet som cementit, vilket är mycket hårt. Vitjärn har inte så många användningsområden pga. sin hårdhet och sprödhet. Vitjärn bildas vid hastig avkylning av gjutjärn med låg kiselhalt. När man kräver bra slitstyrka samt nötningsbeständighet är vitjärnet ett mycket bra val. Det som kan uppfattas som en negativ egenskap är att vitjärnet är mycket svårbearbetbart. Vitjärnet kan t.ex. betraktas som nästintill osvetsbart, gjutning kan dock användas som med de övriga järnen. Som med de övriga sorterna så kan vitjärnet legeras med olika ämnen för att förändra och förbättra materialegenskaperna. Det vanligaste är att man tillsätter Nickel (Ni), och/eller Krom (Cr), för att öka värmebeständighet och hårdhet. Användningsområden för vitjärn Trots sitt rykte som ett gjutjärn som är besvärligt att arbeta med, tillverkas en del produkter i vitjärn. De delar som drar nytta av vitjärnets slitstyrka och goda nötningshärdighet är bland annat: Valsar Rör Slitdelar Pumpar Länspump med pumphjul i slitstarkt vitjärn 10

11 Aducerjärn Aducerjärn är ett av de segare gjutjärnen. Grafitformen och dess egenskaper påminner mycket om segjärnets. Framställningen av aducerjärn är en process där man värmebehandlar vitt gjutjärn. Det hela går till så att vitt stelnat gjutjärn aduceras, dvs. värmebehandlas, vilket leder till att det bundna kolet utskiljs i fri form. För att nå önskad seghet och hållfasthet på järnet, regleras svalningshastighet efter värmebehandlingen. Den långa värmebehandlingstiden har dock lett till att man börjat ersätta aducerjärn med segjärn och andra material. Till en viss del begränsas även godstjockleken och storleken på produkter av den höga svalningshastigheten. Aducerjärn har goda gjutegenskaper. Aducerjärnets svetsbarhet kan jämföras med segjärnets, dvs. fullt möjligt om tillsatsmaterial och svetsningsprocedur anpassas. Användningsområden för aducerjärn Aducerjärn har materialegenskaper i form av goda glidegenskaper, god skärbarhet, hög hållfasthet och seghet. Dess egenskaper lämpar sig väl till de produkter som det används till, som bland annat: Rördelar Motorfästen Kedjehjul Pumphjul Bromsbackar Kugghjul Isolatorkåpor Ventilhävarmar Differentialhus Ankare i varmförzinkat aducerjärn 11

12 Kompaktgrafitjärn CGI Där gråjärnet inte längre uppfyller kraven på både seghet och hållfasthet, tar man till ett järn som kallas för kompaktgrafitjärn. Dessa järn kan sägas ha ett mellanting av segjärnets noduler och gråjärnets fjällgrafit. Detta leder till att man drar nytta av båda materialets fördelar, för att optimera och få till ett järn som uppfyller ännu högre krav på seghet och hållfasthet. Kompaktgrafitjärn ligger mellan gråjärn och segjärn gällande hållfasthet, seghet och hårdhet. Det som är en fördel med CGI jämfört med gråjärn, är att produkter tillverkade i CGI får en lägre vikt. Användningen av kompaktgrafitjärn har än så länge varit begränsad. Detta beror på att framställningen av CGI är en mycket avancerad process, där stor noggrannhet krävs. Man har dock på senare tid lyckats kartlägga och lösa en del av de tekniska problemen och i framtiden kommer användningen säkerligen att öka, inte minst med tanke på att man kan reducera vikten på produkter, med allt vad det innebär för miljön. Användningsområden för kompaktgrafitjärn CGI CGI har goda gjutegenskaper, goda glidegenskaper, hög hållfasthet och seghet. Produkter där man har dragit nytta av dessa materialegenskaper är t.ex. Motorblock Rör Valsar Bromsskivor Bromstrummor Cylinderhuvuden Scaniamotor med cylinderblock i CGI 12

13 Sammanfattning av vad som utmärker de olika gjutjärnen Gråjärn Utmärkta gjutegenskaper God skärbarhet Goda glidegenskaper Mycket god tryckhållfasthet Relativt god draghållfasthet Låg seghet God värmeledningsförmåga Materialegenskaperna kan ändras eller förbättras genom tillsatser av olika legeringsämnen, t.ex. Magnesium (Mg) Segjärn Goda gjutegenskaper God skärbarhet Hög hållfasthet och seghet Goda glidegenskaper Bra utmattningsegenskaper Genom att styra den kemiska sammansättningen kan man få olika hög hållfasthet, vilket leder till olika förhållande mellan perlit och ferrit i grundmassan. Kompaktgrafitjärn CGI God skärbarhet God värmeledningsförmåga God hållfasthet och seghet Bra dämpningsförmåga Vad gäller hårdhet, seghet och hållfasthet ligger CGI mellan segjärn och gråjärn. Man får dock en lägre vikt jämfört med gråjärn. 13

14 Aducerjärn Goda glidegenskaper God skärbarhet Hög hållfasthet Hög seghet Framställs genom värmebehandling av vitjärn. Aducerjärn ersätts numera i viss utsträckning av segjärn. Vitjärn Hög hårdhet Mycket svårarbetbart Mycket god nötningsbeständighet Godstjockleken och storleken på produkter i vitjärn begränsas i viss mån av kravet på hög svalningshastighet, detsamma gäller för aducerjärn. 14

15 Reflektion Jag upplever det som att gjutjärn är ett mycket användbart och mångsidigt material när det gäller konstruktion och tillverkning. Man har väldigt bra kunskaper om hur man kan utnyttja de olika järnens unika egenskaper på bästa sätt, för att tillverka optimala produkter för deras tilltänkta ändamål. Jag tycker att det verkar väldigt spännande hur man kan genom värmebehandlingar och tillsatser av legeringsämnen påverka järnens materialegenskaper på så finurligt sätt. Det känns som att gjutjärn är ett förlegat material, om man jämför med t.ex. plast eller aluminium, där de bägge drar fördelar av sin lätta vikt. Men tekniken förbättras ständigt och nya framgångar nås när det gäller materialutveckling. Man kan ana att vad som gäller t. ex. kompaktgrafitjärn, så har vi inte sett slutet än. Som ett exempel kan nämnas att Scania har i sin senaste v8 motor använt sig av CGI i cylinderblocket, där den nu klarar av ett högre förbränningstryck utan viktökning. 15

16 Källförteckning trans/2001/adi/cast.iron.html