Hållfasthetsegenskaper i Gjutjärn

Transkript

1 Hållfasthetsegenskaper i Gjutjärn Martin Kulig Pernilla Wetter EXAMENSARBETE 2007 MASKINTEKNIK

2 Tensile Properties of Cast Iron Martin Kulig Pernilla Wetter Detta examensarbete är utfört vid Tekniska Högskolan i Jönköping inom Maskinteknik. Arbetet är ett led i den treåriga högskoleingenjörsutbildningen. Författarna svarar själva för framförda åsikter, slutsatser och resultat. Handledare: Attila Diószegi Omfattning: 10 poäng (C-nivå) Datum: Arkiveringsnummer: Postadress: Besöksadress: Telefon: Box 1026 Gjuterigatan (vx) Jönköping

3 Abstract Abstract In the last few years people have become more and more aware of how humanity is affecting the climate. In the direction of reducing the greenhouse gases is to design engines with higher tensile properties and reduced weight, in order to achieve lower fuel consumption and cleaner fuel incineration in today's truck engines. In order to achieve these requirements it s necessary to increase the combustion pressure in the engine. This requires higher tensile properties and high thermal conductivity of the engine material. The department of Component Technology at the University of Jönköping in collaboration with Volvo Powertrain AB, Scania CV AB and DAROS Piston Rings AB has been commissioned to develop this material and to find knowledge of material properties used in truck engines and piston rings used for marine applications. The purpose with this work is to analyze the tensile properties of a series of cast iron, cast under different metallurgical conditions. Four different series of cast irons have been analyzed from four points of view, carbon concentration, nodularity, amount inoculation and cooling rate. After the tensile test all specimen data was analyzed in a mathematic calculation program called Matlab 2006a. These results were plotted in different diagrams to show the relations between the variables. A low carbon contents and high cooling rate result in high tensile properties and vice versa. Also, a high nodularity gives the same result, i.e. high ultimate tensile strength, yield strength and young s modulus. The experiment which cover different amount of inoculation, shows that Superseed is the most efficient element to increased tensile properties followed by Fe-powder and Fe-C-powder. Lamellar graphite iron has the highest thermal conductivity and vibration damping properties compared to compact graphite iron followed by nodular graphite iron. Researches show that the thermal conductivity increases with slow cooling rate, irrespective of graphite structure. When designing new diesel engines, high tensile properties as well as high thermal conductivity are wanted. Compact cast iron has a compromised quality of these requirements. Higher tensile properties are a higher priority than thermal conductivity when the casting cooling rate is chosen. 1

4 Sammanfattning Sammanfattning Mänskligheten har idag blivit allt mer medveten om vilken påverkan människan har på klimatet. Ett steg i att reducera växthusgaserna är att konstruera motorer med högre hållfasthet och reducerad vikt, detta för att uppnå lägre bränsleförbrukning och renare förbränning i dagens lastbilsmotorer. För att uppnå dessa krav är en lösning att öka kompressionen i motorn. Detta medför högre hållfasthetskrav samt hög värmeledningsförmåga hos materialet i motorerna. Avdelningen för komponentteknologi på Tekniska högskolan i Jönköping har i samarbete med Volvo Powertrain AB, Scania CV AB och DAROS Piston Rings AB fått uppdraget att utveckla ett material med rätt mekaniska egenskaper för att passa i lastbilsmotorer och kolvringar i marina applikationer. Målet med detta examensarbete är att analysera de mekaniska egenskaperna i en serie där gjutjärn gjutets under olika metallurgiska förhållanden. Fyra olika serier av gjutjärn har analyserats med utgångspunkt av variation av kolhalt, nodularitet, mängd ympningsmedel samt svalningshastighet. Efter dragning av samtliga prover analyserades mätdata i Matlab 2006a och resulterade i olika sambandsdiagram. Låg kolhalt samt snabb avsvalning av gjutgodset ger höga hållfasthetsegenskaper och vice versa. En hög nodularitet ger höga hållfasthetsegenskaper gällande brottgrans, sträckgräns och elasticitetsmodulmodul. Från experimenten där olika ympningsmedels påverkan av hållfastheten, har kunnat konstateras att ympningsmedlet Superseed ger de högsta hållfasthetsegenskaperna följt av Fepulver och Fe-C-pulver. Värmeledningsförmågan och dämpningsförmågan för vibrationer är bäst i lamellartad grafit följt av kompakt och nodulär grafit. Studier visar att värmeledningsförmågan ökar med långsam svalning, oavsett grafitstruktur. I dagens dieselmotorer eftersträvas både god hållfasthet och god värmeledningsförmåga. En kompromiss av dessa krav är gjutjärn med en kompakt grafitstruktur. Högre hållfasthet bör prioriteras före bättre värmeledningsförmåga när val av svalningshastighet för gjutgodset görs. Nyckelord Gjutjärn, grafitstruktur, hållfasthetsegenskaper, lastbilsmotorer, dragprov, nodularitet, ympningsmedel. 2

5 Innehållsförteckning Innehållsförteckning 1 Inledning BAKGRUND SYFTE OCH MÅL AVGRÄNSNINGAR DISPOSITION Teoretisk bakgrund DRAGPROV SPÄNNING- TÖJNINGSDIAGRAM GJUTJÄRN Allmänt Lamellartad grafit Nodulär grafit Kompakt grafit Stelningshastighet Ympning Kolekvivalent Genomförande EXPERIMENT I: GJUTNING AV GRÅJÄRN MED VARIERANDE KOLHALT OCH KONSTANT MÄNGD YMPNINGSMEDEL Bakgrund Gjutning Kemisk sammansättning EXPERIMENT II: GJUTNING AV GRÅ-, KOMPAKT- OCH SEGJÄRN MED VARIERANDE NODULARITET Bakgrund Gjutning Kemisk sammansättning EXPERIMENT III: GJUTNING AV GRÅJÄRN MED KONSTANT KOLHALT OCH OLIKA DIAMETER PÅ GJUTGODS Bakgrund Gjutning Kemisk sammansättning EXPERIMENT IV: GJUTNING AV GRÅJÄRN MED VARIERANDE KOLHALT OCH YMPAT MED FE- PULVER Bakgrund Gjutning Kemisk sammansättning UTVÄRDERING AV DRAGPROVKURVOR Resultat EXPERIMENT I: GJUTNING AV GRÅJÄRN MED VARIERANDE KOLHALT OCH KONSTANT MÄNGD YMPNINGSMEDEL Sammanfattning: Experiment I EXPERIMENT II: GJUTNING AV GRÅ-, KOMPAKT- OCH SEGJÄRN MED VARIERANDE NODULARITET Sammanfattning: Experiment II EXPERIMENT III: GJUTNING AV GRÅJÄRN MED KONSTANT KOLHALT OCH OLIKA DIAMETER PÅ GJUTGODS Sammanfattning: Experiment III

6 Innehållsförteckning 4.4 EXPERIMENT IV: GJUTNING AV GRÅJÄRN MED VARIERANDE KOLHALT OCH YMPAT MED FE- PULVER Utvärdering av provserierna 1-4, Utvärdering av provserierna Utvärdering av provserierna 5, Utvärdering av provserierna 6 och Jämförelse mellan provserierna 1-4, 6 i serie C18 och proverna i serie C Sammanfattning: Experiment IV Slutsats och diskussion FORTSATT ARBETE Referenser Sökord Bilagor

7 Inledning 1 Inledning Stigande medeltemperatur, ökad mängd av växthusgaser i atmosfären och tydliga klimatförändringar har inneburit att mänskligheten idag har blivit mer medvetna om hur människan har påverkat miljön. Krav från olika myndigheter samt en stor efterfrågan från konsumenter har både tvingat och gjort det till en prestigefråga för fordonsindustrin att utveckla mer bränsleeffektivare och miljövänligare förbränningsmotorer. Ett steg i den riktningen är att konstruera motorer med högre hållfasthet och reducerad vikt. 1.1 Bakgrund För Volvo Powertrain AB och Scania CV AB är det av stort intresse att kunna framställa miljövänligare motorer, till lastbilar, som släpper ut mindre föroreningar samt har en lägre bränsleförbrukning. Förbränningen sker med allt högre tryck i dagens motorer jämfört med för några år sedan. Detta för att få en renare bränsleförbränning. Om förbränningstrycket ska kunna fortsätta öka måste både motorblockets hållfasthetsegenskaper och värmeledningsförmåga öka. En reducerad vikt av motorblocket skulle vara en annan bidragande faktor till minskad bränsleförbrukning och därmed minskad mängd växthusgaser i atmosfären. Avdelningen för komponentteknologi på Tekniska högskolan i Jönköping har i samarbete med Volvo Powertrain AB, Scania CV AB och DAROS Piston Rings AB fått uppdraget att utveckla ett material med rätt mekaniska egenskaper för att passa i lastbilsmotorer och kolvringar i marina applikationer. 1.2 Syfte och mål Målet med detta examensarbete är att analysera de mekaniska egenskaperna i en serie där gjutjärn gjutets under olika metallurgiska förhållanden. Syftet är att finna ett gjutjärn som passar väl in på de krav som dagens tillverkare av lastbilsmotorer ställer. Arbetet genomförs i samarbete med Volvo Powertrain AB, Scania CV AB och DAROS Piston Rings AB. 1.3 Avgränsningar I detta examensarbete kommer inte mikrostrukturen att analyseras. Arbetet kommer inte att fördjupa sig i att det finns flera förgreningar av respektive grafitstruktur. Bakgrund till olika deformationer och stelningsförhållanden, samt fördjupning i järn- koldiagrammet kommer inte heller att tas upp. Alla dragprov har utförts i rumstemperatur. 5

8 Inledning 1.4 Disposition Teoretisk bakgrund beskriver allmänt hur ett dragprov utförs och de grundläggande egenskaperna för gjutjärn. I genomförandet beskrivs utförandet och syftet med de fyra olika experimenten. Resultatet beskrivs med hjälp av olika sambandsdiagram och tabeller. I slutsats och diskussion diskuteras resultatet och egna observationer som iakttagits under arbetet samt förslag till fortsatt arbete. 6

9 Teoretisk bakgrund 2 Teoretisk bakgrund 2.1 Dragprov Dragprov är en av de vanligaste undersökningsmetoderna för metalliska material 2. Vid test av ett material tas provstavar fram, vanligast är rundstavar men det förekommer även rektangulära stavar. De rektangulära stavarna används bl a då en formvara ska provas, t.ex. vid tunn plåt då det av dimensionsskäl inte är möjligt att göra en rund provstav. Stänger av detta slag brukar då dras obearbetade. Dagens dragprovmaskiner är sammankopplade med datorer för såväl datainsamling och beräkning av materialparametrar som för styrning av maskinens rörelse. Under en provningscykel används en extensometer för kontinuerlig mätning av provstavens förlängning. Dessa mätdata matas in i datorn och även uppgifter om den kraft provstaven utsätts för. Materialparametrarna för ämnet beräknas med utgångspunkt från de insamlade data. Allt eftersom mätdata samlas in ritas en graf som visar sambandet mellan kraft (N) och töjning (mm) mellan två punkter A och B på provstavens cylindriska del. Av denna information kan man konstruera ett diagram över spänning (N/mm² =MPa) och töjningen (%). Spänningen beräknas genom att dividera kraften N med provstavens ursprungliga tvärsnittsarea (mm²), se ekvation 2.1. I början har spänning-töjningskurvan ett rätlinjigt förlopp. Inom detta område får provstaven (nästan) tillbaka sin ursprungliga form när provet avlastas. Detta brukar kallas elastisk töjning. Denna räta linjes lutning i området är ett mått på elasticitetsmodulen (E), som alltså är ett mått på metallens förmåga att fjädra. Efter att kurvans rätlinjiga område passerats är spänningarna höga och en början av plastisk töjning av provstaven har inletts. Man brukar tala om att materialet sätter sig när provet avlastas från dragkraft och den inte återgår till sin ursprungliga form. σ = F A ekvation Spänning- töjningsdiagram Ur ett spänning- töjningsdiagram kan bl a brottgräns (UTS), sträckgräns (YS) och Elasticitetsmodul utläsas. Elasticitetsmodulen utläses av lutningen i kurvans rätlinjiga område d v s enligt ekvation 2.2. E = Δσ Δε ekvation 2.2 7

10 Teoretisk bakgrund Där σ är spänningen och ε är töjningen. Sträckgränsen fås genom att vid 0,2 % töjning dra en linje med samma lutning som elasticitetsmodulen. Skärningspunkten mellan linjen och kurvan visar sträckgränsen. Δσ E = Δε Figur 2.1 Spänning-töjningsdiagram 8

11 Teoretisk bakgrund 2.3 Gjutjärn Allmänt Gjutjärn är ett vanligt förekommande material vid gjutning eftersom det har utmärkta mekaniska egenskaper och ett lågt råvarupris. Gråjärn har vanligast en kolhalt mellan 3 och 4 wt % och en kiselhalt mellan 1 och 3 wt % 2. I Sverige gjuts produkter av gjutjärn för sammanlagt ton varje år (2003) 1. Gjutjärn kan uppfylla de önskade egenskaperna genom att legeringen ändras eller att ympningsmedel tillsätts för att påverka kärnbildning av grafit. Olika former av behandling kan också användas för att öka de önskade egenskaperna så som värmebehandling eller olika stelningsförhållanden. Det vanligaste gjutjärnet som används är gråjärn. God flytbarhet, liten uppkomst av sugningar och krympningar, god värmeledningsförmåga, lågt pris, lätt att bearbeta med skärande verktyg och dämpning av vibrationer är de främsta anledningarna till gråjärnets popularitet. Nästan alla cylinderhuvud, cylinderblock och kolvringar till dieselmotorer gjuts i gråjärn. Gjutjärnets främsta egenskaper är beroende av i vilken form kolet utfälls till grafit under stelningsförloppet. För att få önskad karaktär måste det finnas en balans mellan de mekaniska och termiska egenskaperna eftersom dessa är oproportionella mot varandra, d.v.s. höga mekaniska egenskaper ger låga termiska egenskaper och tvärt om. Den metalliska matrisen som omsluter grafiten ger gjutgodset dess styrka medan grafiten gör den spröd. Grafiten kan i huvudsak finnas i tre utformningar; lamellartad, kompakt eller nodulär struktur. Gjutjärn som innehåller lamellartad grafit har lägst hållfasthetsegenskaper medan de är högst i gjutjärn med nodulär grafit. För data, gällande i rumstemperatur, se tabell 2.1. Grafittyp Brottgräns (MPa) Sträckgräns (MPa) Töjning (%) Elasticitetsmodul (GPa) Värmeledningsförmåga (W/m*k) Lamellär ,4-7, Kompakt Nodulär , Tabell 2.1 Egenskaper för gjutjärn med olika grafitstrukturer 9

12 Teoretisk bakgrund Lamellartad grafit Gjutjärn som innehåller lamellartad grafit får en grå yta vid brott. Se figur 2.2. Detta järn kallas således gråjärn. Metallmassan som omsluter grafiten är antingen ferrit, cementit, perlit eller en blandning av dessa. Gråjärn som används till gjutgods innehåller, förutom kol, även kisel, mangan, fosfor och svavel. Gråjärnets hållfasthetsegenskaper är låga. Brottförlängningen är mindre än 1 % och brottgränsen är låg. Detta eftersom grafitfjällen fungerar som brottanvisning. Tryckbrottgränsen är hög eftersom denna last inte påverkar grafitfjällen i samma utsträckning. Den lamellartade grafiten ger gjutjärnet egenskaper som gör att gjutgodset dämpar vibrationer och ger en god värmeledningsförmåga. Risken för sugningar i samband med stelning är mindre i gråjärn jämfört med andra metaller. Krympning vid stelning är endast 1 % eftersom grafiten utvidgas vid stelningen. Figur 2.2 Mikrostrukturen i lamellartad grafit Nodulär grafit Gjutjärn som innehåller nodulär grafit kallas även segjärn. Se figur 2.3. Grafiten i segjärn bildar sfärer istället för att växa i förgreningar som i gråjärn, detta med hjälp av tillsats av magnesium. Segjärn har bra gjutförmåga men inte lika bra som gråjärnet. Bra förutsättningar till kärnbildning ger en god möjlighet till att kunna gjuta tunna gods. Segjärn har låg värmeledningsförmåga och låg dämpning. Däremot har det höga mekaniska egenskaper. Hållfastheten är hög både i utmattning och i brott. Duktiliteten och hårdheten är hög. 10

13 Teoretisk bakgrund Figur 2.3 Mikrostrukturen i nodulär grafit Kompakt grafit Kompakt grafit kallas ibland för vermikulär grafit. Se figur 2.4. Den kompakta grafiten har egenskaper som ligger mellan lamellartad och nodulär grafit. Grafiten visar sig som korta, tjocka fjäll med rundade kanter. Det kan även förekomma spår av noduler i grafiten. Gjutjärn med kompakt grafit leder värme och har bättre dämpningsförmåga än segjärn och har bättre hållfasthetsegenskaper än gråjärn. Den används ofta till cylinderhuvud, motorblock, bromsar och kolvringar till båtmotorer. Figur 2.4 Mikrostrukturen i kompakt grafit 4 11

14 Teoretisk bakgrund Stelningshastighet Stelningshastigheten påverkar mikrostrukturen i gjutgodset. Gods som stelnar snabbt får en mer finfördelad struktur av grafiten och en mindre halt av ferrit. Stelningshastigheten kan justeras genom att kylare eller isolatorer kan placeras runt gjutgodset. Gods som är tunt och stelnar snabbt blir hårdare och sprödare än tjockt gods. Vid mycket snabb stelning bildas cementit istället för grafit och ger ett mycket hårt gods Ympning Ympningsmedel används för att kontrollera bildandet av den eutektiska massan vid stelningsfasen. Ympningsmedlet ökar antalet kärnor som grafiten kan växa ut från och grafitfjällen blir fler Kolekvivalent Hög kolhalt ger mer ferrit och mindre perlit i gråjärn. Då kolhalten är hög kan mer grafit bildas och det blir lättare för austenitens kol att lagras på grafitfjällen 2. När detta sker blir det mindre kol kvar till att bilda perlit. Andra ämnen som har samma inverkan på bildningen av grafit är kisel och fosfor. Dessa ämnens påverkan på grafitbildningen kan räknas ut med hjälp av ekvation 2.3. Si% P% C eq = C% ekvation

15 Genomförande 3 Genomförande Maskinen som användes vid dragning var en ZWICK/ROELL Z100. Alla dragprov genomfördes vid rumstemperatur och drogs med en hastighet av 0,5 mm/s. Vid datainsamling av dragningen användes en extensometer av typen MAYTEC PMA-12/V7 med ett avstånd på 25 mm mellan mätstavarna. Figur 3.1 Extensometer av typen MAYTEC PMA-12/V7 Figur 3.2 Dragprovstavar 13

16 Genomförande 3.1 Experiment I: Gjutning av gråjärn med varierande kolhalt och konstant mängd ympningsmedel Bakgrund Detta experiment har gjutets i samarbete med Volvo Powertrain AB och DAROS Piston Rings AB i projektet Design-, material- och processutveckling av högpresterande gjutjärnskomponenter i miljövänliga dieselmotorer Godsen består av gråjärn med varierande kolhalt på mellan 2.8 till 3.6 wt%. Ympningsmedlet, Superseed, är konstant (1 wt%). Till denna experimentserie var provstavarna 33 till antalet med Ø 5 mm. Övriga dimensioner kan ses i figur 3.3. Syftet med experimentet är att undersöka hur de mekaniska egenskaperna beror av kolhalten och svalningshastigheten. Figur 3.3 Dimensionerna på dragprovstaven Gjutning 33 kg smältan togs med förvärmd degel från smältugnen till gjutformen. Den legeringen med högst kolhalt göts först och sedan de med mindre kolhalt. Fyllningstiden för en form var ca 5 sekunder och smältans temperatur ca 1460 C. Från ugnen till att smältan nått formen tog det ca 6-8 minuter 3. Varje legering fick stelna med tre olika stelningshastigheter; med hjälp av kylare, i sand och omsluten av isolering. 14

17 Genomförande Kemisk sammansättning Ett prov från varje legering togs för att bestämma den kemiska sammansättningen. Nedan visas kolekvivalenten och den kemiska sammansättningen för varje legering. Legering C wt % Si wt % P wt % Si% P% C eq = C% C _13_1 3,62 1,88 0,04 4,1 C_13_2 3,34 1,83 0,04 3,8 C_13_3 3,05 1,77 0,04 3,5 C_13_4 2,8 1,75 0,04 3,3 Tabell 3.1Kolekvivalenten för de olika legeringarna 3. Legering C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu Sn C_13_1 3,62 1,88 0,57 0,04 0,08 0,14 0,09 0,07 0,38 0,036 C_13_2 3,34 1,83 0,56 0,04 0,08 0,15 0,08 0,06 0,37 0,034 C_13_3 3,05 1,77 0,54 0,04 0,08 0,14 0,08 0,06 0,32 0,032 C_13_4 2,8 1,75 0,54 0,04 0,08 0,15 0,07 0,06 0,35 0,030 Tabell 3.2 Kemisk sammansättning för de olika legeringarna 3. 15

18 Genomförande 3.2 Experiment II: Gjutning av grå-, kompakt- och segjärn med varierande nodularitet Bakgrund Provstavarna till detta experiment har tillverkats vid två tillfällen, de första vid Volvo Powertrain AB och de andra vid DAROS Piston Rings AB. Fem olika prover togs fram där kärnbildningen var -100(gråjärn), 0(kompaktgjutjärn), 25, 75 och 100 % (segjärn). Alla prov har konstant kolhalt. Provstavarna var 36 st med en diameter på 5 mm. Övriga dimensioner kan ses i figur 3.3. Sambandet mellan nodularitet och hållfasthet är syftet med utvärderingen i detta experiment Gjutning 42,5 kg smälta togs från ugnen med förvärmd degel. För att kontrollera kärnbildningen av grafiten användes ett standardbehandlingsmedel, FeSiMg5. Medlet placerades på botten av degeln och täcktes sedan över med stål för att fördröja reaktionen innan degeln var fylld. Fyllningstiden för en form var ca 5 sekunder och smältans temperatur ca 1460 C. Från ugnen till att smältan nått formen tog det ca 6-8 minuter 3. Varje legering fick stelna med tre olika stelningshastigheter; med hjälp av kylare, i sand och omsluten av isolering Kemisk sammansättning Ett prov från varje legering togs för att bestämma den kemiska sammansättningen. Nedan visas kolekvivalenten och den kemiska sammansättningen för varje legering. Legering C wt % Si wt % P wt % Si% P% C eq = C% C09_1 3,44 2,9 0,08 4,2 C09_2 3,54 2,23 0,08 4,1 C09_3 3,58 1,92 0,08 4,1 C09_4 3,54 2,12 0,08 4,1 C09_5 3,56 2,12 0,09 4,1 Tabell 3.3 Kolekvivalenten för de olika legeringarna 3. 16

19 Genomförande Legering C Si Mn P S Cr Mo Ni V C09_1 3,44 2,90 0,86 0,08 0,006 0,27 0,50 0,34 0,062 C09_2 3,54 2,23 0,87 0,08 0,007 0,27 0,50 0,35 0,063 C09_3 3,58 1,92 0,86 0,08 0,011 0,27 0,51 0,37 0,051 C09_4 3,54 2,12 0,87 0,08 0,009 0,27 0,51 0,37 0,051 C09_5 3,56 2,12 0,86 0,09 0,008 0,27 0,51 0,36 0,053 Cu Sn Ti Pb B Mg Nb Al W C09_1 1,06 0,011 0,009 0,0038 0,001 0,070 0,005 0,022 0,009 C09_2 1,07 0,033 0,008 0,0041 0,001 0,021 0,005 0,007 0,008 C09_3 1,09 0,009 0,008 0,0024 0,001 0,001 0,004 0,005 0,008 C09_4 1,09 0,033 0,008 0,0027 0,001 0,021 0,005 0,008 0,009 C09_5 1,10 0,031 0,008 0,0033 0,001 0,013 0,005 0,009 0,009 Tabell 3.4 Kemisk sammansättning för de olika legeringarna 3. 17

20 Genomförande 3.3 Experiment III: Gjutning av gråjärn med konstant kolhalt och olika diameter på gjutgods Bakgrund Provstavarna göts på University of Miskolc i Ungern 6 i samarbete med Volvo Truck Component Corporation. Provstavarna var 28 st med en diameter på 5 mm. Övriga dimensioner kan ses i figur 3.3. Ursprunget till dessa prover var att titta närmare på hur materialet deformeras under stelning, variationen i densitet samt orsaken till varför sugningsporer uppkommer vid bl.a. inloppet i gjutformen. Sambandet mellan svalningshastighet och hållfasthet är syftet med utvärderingen i detta experiment Gjutning Gjutgodset smältes i ugn och hälldes sedan över till en degel med ympningsmedel och sedan tillbaka till smältugnen för att ympningsmedlet skulle blandas ordentligt med smältan och för att hålla rätt temperatur. Gjutformarna fylldes med smälta direkt, 5 eller 10 minuter efter att ympningsmedlet tillsats. De färdiga gjutgodsen hade en diameter på 10, 30, 50, och 100 mm. T1 = 1320 C T2 = 1380 C T3 = 1440 C C1 = 0,05 % inoculation C2 = 0,20 % inoculation C3 = 0,35 % inoculation t1 = 0 min t2 = 5 min t3 = 10 min Figur 3.4 Visar olika parametrar för respektive legering där T är temperaturen, C är ympningsmedelshalten och t är tiden 18

21 Genomförande Kemisk sammansättning Ett prov från varje legering togs för att bestämma den kemiska sammansättningen. Nedan visas kolekvivalenten och den kemiska sammansättningen för varje legering. Legering C wt % Si wt % P wt % Si% P% C eq = C% A_13 3,382 1,892 0,050 3,87 A_14 3,516 1,811 0,051 3,98 A_15 3,322 1,822 0,050 3,79 A_16 3,30 1,80 0,050 3,76 A_18 3,479 1,688 0,049 3,91 A_19 3,510 1,649 0,052 3,94 A_20 3,303 1,730 0,053 3,75 A_21 3,482 1,747 0,053 3,93 A_22 3,782 1,747 0,050 4,23 A_23 3,408 1,801 0,051 3,87 A_34 3,452 1,761 0,052 3,91 Tabell 3.7 Kolekvivalenten för de olika legeringarna. 19

22 Genomförande Legering C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Sn A_13 3,382 1,892 0,576 0,050 0,104 0,18 0,06 0,21 0,79 0,08 A_14 3,516 1,811 0,590 0,051 0,106 0,154 0,062 0,246 0,889 0,048 A_15 3,322 1,822 0,812 0,050 0,101 0,155 0,08 0,24 0,92 0,047 A_16 3,30 1,80 0,62 0,050 0, A_18 3,479 1,688 0,592 0,049 0,087 0,158 0,063 0,246 0,871 0,047 A_19 3,510 1,649 0,541 0,052 0,090 0,152 00,88 0,242 0,886 0,048 A_20 3,303 1,730 0,813 0,053 0,092 0,159 0,065 0,239 0,875 0,045 A_21 3,482 1,747 0,642 0,053 0,094 0,159 0,065 0,242 0,881 0,048 A_22 3,782 1,747 0,582 0,050 0,090 0,154 0,065 0,241 0,880 0,045 A_23 3,408 1,801 0,641 0,051 0,097 0,159 0,085 0,242 0,876 0,046 A_34 3,452 1,761 0,631 0,052 0,098 0,165 0,085 0,237 0,850 0,045 Tabell 3.8 Kemisk sammansättning för de olika legeringarna. 20

23 Genomförande 3.4 Experiment IV: Gjutning av gråjärn med varierande kolhalt och ympat med Fe-pulver Bakgrund Provstavarna till detta experiment göts på Volvo Powertrain AB. Blästring och kapning till bearbetbara delar gjordes på Tekniska Högskolan i Jönköping för att sedan svarvas till provstavar på Scania CV AB. Kolhalten har varierats mellan 2,8 till 3,64 wt % och Fe-pulvret har varierats mellan 0,3 till 2 wt % i smältan. I ett av proven har ympningsmedlet Superseed använts istället för Fe-pulvret. 66 provstavar med diameter 12.5.mm framställdes. Övriga dimensioner kan ses i figur 3.5. Syftet med experimentet är att utvärdera sambandet mellan kolhalt, ympningsmedel, mekaniska egenskaper och svalningshastighet. Figur 3.5 Dimensionerna på dragprovstaven 21

24 Genomförande Gjutning Totalt göts nio gods med olika legering, där varje gjutgods hade en form som utgjorde sex stycken massiva cylindrar i tre olika storlekar. När de fyra första gjutgodsen göts ändrades kolhalten i smältan, totalt fyra olika sammansättningar med samma mängd ympningsmedel. Till de fem resterade gjutgodsen försökte kolhalten hållas konstant medan mängden ympningsmedel varierades. Varje legering göts i tre olika dimensioner (30, 55, 95 mm) och på så sätt stelnade de med varierande hastigheter Kemisk sammansättning Nedan visas kolekvivalenten, mängd ympningsmedel och den kemiska sammansättningen för varje legering. Legering C wt % Si wt % P wt % Si% P% C eq = C% YMP wt % C18_1 3,64 1,84 0,040 4,11 1 C18_2 3,29 1,81 0,040 3,75 1 C18_3 3,03 1,83 0,040 3,50 1 C18_4 2,80 1,87 0,040 3,28 1 C18_5 3,15 1,83 0,040 3,16 0,3 C18_6 2,98 1,80 0,040 3,44 1 C18_7 2,95 1,78 0,040 3,41 2 C18_8 2,99 1,81 0,042 3,45 1 C18_9 3,00 1,99 0,043 3,51 0,3 Tabell 3.5 Kolekvivalenten för de olika legeringarna. 22

25 Genomförande Legering C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Sn C18_1 3,64 1,84 0,57 0,040 0,090 0,14 0,08 0,22 0,96 0,043 C18_2 3,29 1,81 0,55 0,040 0,090 0,14 0,08 0,23 0,97 0,059 C18_3 3,03 1,83 0,54 0,040 0,090 0,13 0,08 0,23 0,99 0,058 C18_4 2,80 1,87 0,53 0,040 0,090 0,13 0,08 0,24 1,00 0,057 C18_5 3,15 1,83 0,53 0,040 0,086 0,18 0,07 0,23 0,99 0,067 C18_6 2,98 1,80 0,53 0,040 0,086 0,18 0,07 0,23 0,96 0,067 C18_7 2,95 1,78 0,50 0,040 0,080 0,18 0,07 0,22 0,96 0,062 C18_8 2,99 1,81 0,51 0,042 0,087 0,18 0,07 0,23 0,97 0,062 C18_9 3,00 1,99 0,51 0,043 0,089 0,18 0,07 0,23 0,97 0,063 Tabell 3.6 Kemisk sammansättning för de olika legeringarna. 3.5 Utvärdering av dragprovkurvor Alla dragprovkurvor formaterades till textfiler för att kunna analyseras i Matlab 2006a. Programmet som användes var enk_fit_new_alla.m. Med hjälp av programmet togs en anpassad kurva fram för att få värden på elasticitetsmodul, brottgräns, sträckgräns, samt värden för att kunna återskapa spänningtöjningsgrafen. Ekvation 3.1 var den som används för att återskapa grafen. σ S = K n1 K 2+ n2 ε P 1 ε P + Kneg e, ekvation 3.1 Där σs är den sanna spänningen och εp är den plastiska töjningen. K1, K2, n1, n2 och Kneg är parametrar som krävs för att återskapa grafen. Se bilaga [2, 4, 6, 8, 10] för värdetabeller. 23

26 Resultat 4 Resultat 4.1 Experiment I: Gjutning av gråjärn med varierande kolhalt och konstant mängd ympningsmedel Proverna i detta experiment har varierande kolhalt men konstant mängd ympningsmedel. Proverna har svalnat med tre olika svalningshastigheter snabb (chill), medel- (sand) och långsam (insulation) svalningshastighet. UTS, C UTS [MPa] 300 CHILL INSULATION SAND ,70 2,80 2,90 3,00 3,10 3,20 3,30 3,40 3,50 3,60 3,70 C [%] Figur 4.1 Sambandet mellan brottgräns och kolhalt I figur 4.1 ses ett tydligt samband mellan kolhalt och hållfasthetsegenskaper. Ju lägre kolhalt desto högre brottgräns. De olika svalningshastigheterna påverkar brottgränsen på så sätt att snabbast svalning ger den högsta brottgränsen. Brottgränsen som fås vid svalning i sand och isolering skiljer sig inte från varandra på samma sätt som i förhållande till en avsvalning med kylning. 24

27 Resultat Ämne C% UTS Ämne C% UTS c13_1_chill* 3, c13_3_chill_2 3, c13_1_chill_1 3, c13_3_ins* 3, c13_1_ins* 3, c13_3_ins_1 3, c13_1_sand* 3, c13_3_ins_2 3, c13_1_sand_1 3, c13_3_sand* 3, c13_1_sand_2 3, c13_3_sand_1 3, c13_2_chill* 3, c13_3_sand_2 3, c13_2_chill_1 3, c13_4_chill* 2,8 447 c13_2_chill_2 3, c13_4_chill_1 2,8 499 c13_2_ins* 3, c13_4_chill_2 2,8 521 c13_2_ins_1 3, c13_4_ins* 2,8 289 c13_2_ins_2 3, c13_4_ins_1 2,8 305 c13_2_sand* 3, c13_4_ins_2 2,8 306 c13_2_sand_1 3, c13_4_sand* 2,8 337 c13_2_sand_2 3, c13_4_sand_1 2,8 341 c13_3_chill* 3, c13_4_sand_2 2,8 351 c13_3_chill_1 3, Tabell 4.1 Resultat mellan brottgräns och kolhalt. Ämnen markerade med * visar värden från tidigare mätningar 7. Ämnen markerade med kursiv stil är borträknade vid framtagning av graf. E, C E [MPa] CHILL INSULATION SAND ,70 2,80 2,90 3,00 3,10 3,20 3,30 3,40 3,50 3,60 3,70 C [%] Figur 4.2 Sambandet mellan elasticitetsmodul och kolhalt 25

28 Resultat Sambandet mellan kolhalten och elasticitetsmodulen kan ses i figur 4.2. En låg kolhalt i gjutgodset ger en hög elasticitetsmodul och vice versa. Även i detta fall har gods med snabb svalning de högsta hållfasthetsegenskaperna. Skillnaden mellan gods som svalnat med långsam eller medelhastighet kan ses som obefintlig. I dessa fall har endast kolhalten betydelse för godsets elasticitetsmodul. Ämne C% E Ämne C% E c13_1_chill* 3, c13_3_chill_2 3, c13_1_chill_1 3, c13_3_ins* 3, c13_1_ins* 3, c13_3_ins_1 3, c13_1_sand* 3, c13_3_ins_2 3, c13_1_sand_1 3, c13_3_sand* 3, c13_1_sand_2 3, c13_3_sand_1 3, c13_2_chill* 3, c13_3_sand_2 3, c13_2_chill_1 3, c13_4_chill* 2, c13_2_chill_2 3, c13_4_chill_1 2, c13_2_ins* 3, c13_4_chill_2 2, c13_2_ins_1 3, c13_4_ins* 2, c13_2_ins_2 3, c13_4_ins_1 2, c13_2_sand* 3, c13_4_ins_2 2, c13_2_sand_1 3, c13_4_sand* 2, c13_2_sand_2 3, c13_4_sand_1 2, c13_3_chill* 3, c13_4_sand_2 2, c13_3_chill_1 3, Tabell 4.2 Resultat mellan elasticitetsmodul och kolhalt. Ämnen markerade med * visar värden från tidigare mätningar. Ämnen markerade med kursiv stil är borträknade vid framtagning av graf. 26

29 Resultat YS, C YS [MPa] 300 CHILL INSULATION SAND ,70 2,80 2,90 3,00 3,10 3,20 3,30 3,40 3,50 3,60 3,70 C [%] Figur 4.3 Sambandet mellan sträckgräns och kolhalt I figur 4.3 kan ses att även sträckgränsen beror av kolhalten på samma sätt som brottgräns och E-modul. Dvs ju lägre kolhalt desto högre sträckgräns. Även i detta fall påverkar stelningsförloppen hållfasthetsegenskaperna. Ett gods som stelnat med hjälp av kylare har betydligt högre sträckgräns än de som svalnat långsammare. Ämne C% YS Ämne C% YS c13_1_chill* 3, c13_3_chill_2 3, c13_1_chill_1 3, c13_3_ins* 3, c13_1_ins* 3, c13_3_ins_1 3, c13_1_sand* 3, c13_3_ins_2 3, c13_1_sand_1 3, c13_3_sand* 3, c13_1_sand_2 3, c13_3_sand_1 3, c13_2_chill* 3, c13_3_sand_2 3, c13_2_chill_1 3, c13_4_chill* 2,8 408 c13_2_chill_2 3, c13_4_chill_1 2,8 496 c13_2_ins* 3, c13_4_chill_2 2,8 506 c13_2_ins_1 3, c13_4_ins* 2,8 261 c13_2_ins_2 3, c13_4_ins_1 2,8 271 c13_2_sand* 3, c13_4_ins_2 2,8 271 c13_2_sand_1 3, c13_4_sand* 2,8 271 c13_2_sand_2 3, c13_4_sand_1 2,8 302 c13_3_chill* 3, c13_4_sand_2 2,8 306 c13_3_chill_1 3, Tabell 4.3 Resultat mellan sträckgräns och kolhalt. Ämnen markerade med * visar värden från tidigare mätningar. Ämnen markerade med kursiv stil är bortsedda vid framtagning av graf. 27

30 Resultat C13, n1 0,19 0,18 0,17 0,16 n1 0,15 0,14 n1, CHILL n1,insulation n1, SAND 0,13 0,12 0,11 0,10 2,50 2,70 2,90 3,10 3,30 3,50 3,70 C [%] Figur 4.4a Samband mellan kolhalt och n1 C13,K K1 800 K1, CHILL K1, INSULATION K1, SAND ,50 2,70 2,90 3,10 3,30 3,50 3,70 C [%] 4.4b Samband mellan kolhalt och K1 I figur 4.4a ses att värdet på n1 stiger med ökad kolhalt. I figur 4.4b ses att K1 sjunker med stigande kolhalt. Värdena stiger med svalningshastigheten. För värdetabell se bilaga [2]. 28

31 Resultat Sammanfattning: Experiment I Låg kolhalt ger höga hållfasthetsegenskaper. De högsta värdena fås då godset har möjlighet att stelna snabbt. Ett gods som stelnat med hjälp av kylare får i regel en ökning av hållfasthetsegenskaperna med % beroende av vilken kolhalt det har. Stelningshastigheten får större betydelse på hållfasthetsegenskaperna ju högre kolhalten är i godset. 29

32 Resultat 4.2 Experiment II: Gjutning av grå-, kompakt- och segjärn med varierande nodularitet I utvärderingen av detta experiment har synen på nodularitet enligt Sjögren 4 används. D.v.s. lamellartad grafit motsvarar -100 % och kompakt grafit motsvarar 0 %. Proverna har svalnat med tre olika svalningshastigheter snabb (chill), medel- (sand) och långsam (insulation) svalningshastighet. Nodulariteten på provstavarna har inte verifierats. Procenthalterna är de som eftersträvades men det kan förekomma en viss variation. UTS, C UTS [MPa] SAND INSULATION CHILL Nodularitet [%] Figur 4.5 Sambandet mellan brottgräns och nodularitet I figur 4.5 visas att en ökad nodularitet ger en ökad brottgräns. Variationen mellan brottgränsen i segjärn med olika nodularitet skiljer sig inte på samma sätt som mellan de olika grafitstrukturerna. Vid -100 % nodularitet, lamellartad struktur, får det gods med snabbast avsvalning betydligt högre brottgräns än de andra. Skillnaden mellan medel och långsam svalningshastighet är liten i förhållande till snabb avsvalning. När nodulariteten når 0 % sker förändringen att gods med medelsvalningshastighet närmar sig egenskaper liknande gods med snabb svalningshastighet. Gods med 0-100% nodularitet har det godset med snabboch medelavsvalning högst brottgräns medan det godset med långsam avsvalning har en klart lägre brottgräns. Att gods med 100 % nodularitet får värden som ligger något lägre eller i samma höjd med de gods med 75 % nodularitet kan ses som en tillfällighet. Trenden bör visa på ökad brottgräns vid ökad nodularitet. 30

33 Resultat Ämne Nodularitet % UTS Ämne Nodularitet % UTS C09_1_chill* C09_3_sand* C09_1_ins* C09_3_sand_ C09_1_ins_ C09_3_sand_ C09_1_sand* C09_4_chill* C09_1_sand_ C09_4_ins* C09_1_sand_ C09_4_ins_ C09_2_chill* C09_4_ins_ C09_2_chill_ C09_4_sand* C09_2_chill_ C09_4_sand_ C09_2_ins* C09_4_sand_ C09_2_ins_ C09_5_chill* C09_2_ins_ C09_5_ins* C09_2_sand* C09_5_ins_ C09_2_sand_ C09_5_ins_ C09_3_chill* C09_5_sand* C09_3_ins* C09_5_sand_ C09_3_ins_ C09_5_sand_ C09_3_ins_ Tabell 4.5 Resultat mellan brottgräns och nodularitet. Ämnen markerade med * visar värden från tidigare mätningar. E, C E [MPa] SAND INSULATION CHILL Nodularitet [%] Figur 4.6 Sambandet mellan elasticitetsmodul och nodularitet 31

34 Resultat Enligt figur 4.6 ökar elasticitetsmodulen då nodulariteten ökar. Svalningshastigheten påverkar inte elasticitetsmodulen nämnvärt i förhållande till nodulariteten. Men gods som svalnat snabbt tycks ha en lite högre elasticitetsmodul än gods som svalnat långsamt. Ämne Nodularitet % E Ämne Nodularitet % E C09_1_chill* C09_3_sand* C09_1_ins* C09_3_sand_ C09_1_ins_ C09_3_sand_ C09_1_sand* C09_4_chill* C09_1_sand_ C09_4_ins* C09_1_sand_ C09_4_ins_ C09_2_chill* C09_4_ins_ C09_2_chill_ C09_4_sand* C09_2_chill_ C09_4_sand_ C09_2_ins* C09_4_sand_ C09_2_ins_ C09_5_chill* C09_2_ins_ C09_5_ins* C09_2_sand* C09_5_ins_ C09_2_sand_ C09_5_ins_ C09_3_chill* C09_5_sand* C09_3_ins* C09_5_sand_ C09_3_ins_ C09_5_sand_ C09_3_ins_ Tabell 4.6 Resultat mellan elasticitetsmodul och nodularitet. Ämnen markerade med * visar värden från tidigare mätningar. Ämnen markerade med kursiv stil är borträknade vid framtagning av graf. 32

35 Resultat YS, C YS [MPa] SAND INSULATION CHILL Nodularitet [%] Figur 4.7 Sambandet mellan sträckgräns och nodularitet Anledningen till att sträckgränsen är 0 i vissa resultat i figur 4.7 är att brottgränsen ligger innan sträckgränsen. Alltså, det finns ingen skärningspunkt mellan linjen vid 0,2 % töjning och kurvan i spänning-töjningsdiagrammet. I övrigt ökar sträckgränsen med nodulariteten. Ämne Nodularitet % YS Ämne Nodularitet % YS C09_1_chill* 0 0 C09_3_sand* C09_1_ins* C09_3_sand_ C09_1_ins_ C09_3_sand_ C09_1_sand* C09_4_chill* C09_1_sand_ C09_4_ins* C09_1_sand_ C09_4_ins_ C09_2_chill* C09_4_ins_ C09_2_chill_ C09_4_sand* C09_2_chill_ C09_4_sand_ C09_2_ins* C09_4_sand_ C09_2_ins_ C09_5_chill* 75 - C09_2_ins_ C09_5_ins* C09_2_sand* C09_5_ins_ C09_2_sand_ C09_5_ins_ C09_3_chill* 25 - C09_5_sand* C09_3_ins* C09_5_sand_ C09_3_ins_ C09_5_sand_ C09_3_ins_ Tabell 4.7 Resultat mellan sträckgräns och nodularitet Ämnen markerade med * visar värden från tidigare mätningar. 33

36 Resultat Ur grafen C09, n1 K1 kunde inget samband finnas. För graf se bilaga [12], figur 4.8. För värdetabell se bilaga [4] Sammanfattning: Experiment II En hög nodularitet ger höga hållfasthetsegenskaper gällande UTS, YS och E- modul. Svalningshastigheten påverkar på så sätt att gods som svalnat med snabb svalningshastighet har högre hållfasthetsegenskaper än gods som svalnat med lågoch medelsvalningshastighet. 34

37 Resultat 4.3 Experiment III: Gjutning av gråjärn med konstant kolhalt och olika diameter på gjutgods UTS, A UTS [MPa] Diameter 50* Diameter 30* Diameter 100* Diameter 10* Diameter 50 Diameter 30 Diameter 100 Diameter Diameter [mm] Figur 4.9 Sambandet mellan brottgräns och diameter på gjutgods Figur 4.9 visar sambandet att ju mindre diameter och där med snabbare avsvalning ger desto högre brottgräns. Samma resultat har uppnåtts i två skilda mätningar. 35

38 Resultat Ämne Diameter [mm] UTS Ämne Diameter [mm] UTS a_10_15_ a_50_21_ a_10_15_ a_50_22_ a_10_22_ a_50_22_ a_10_22_ a_50_23_ a_10_34_ a_50_23_ a_10_15* a_50_34_ a_10_22* a_50_13* a_10_34* a_50_14* a_30_15_ a_50_15* a_30_22_ a_50_16* a_30_34_ a_50_18* a_30_15* a_50_19* a_30_22* a_50_20* a_30_34* a_50_21* a_50_13_ a_50_22* a_50_13_ a_50_23* a_50_14_ a_50_34* a_50_15_ a_100_15_2_ a_50_16_ a_100_22_ a_50_18_ a_100_22_ a_50_19_ a_100_34_ a_50_19_ a_100_15* a_50_20_ a_100_22* a_50_20_ a_100_34* a_50_21_ Tabell 4.9 Resultat mellan brottgräns och diameter på gjutgods. Ämnen markerade med * visar värden från tidigare mätningar. 36

39 Resultat E, A E [MPa] Diameter 50 Diameter 30 Diameter 100 Diameter Diameter [mm] Figur 4.10 Sambandet mellan elasticitetsmodul och diameter på gjutgods Svalningshastigheten varierar med diametern på så sätt att liten diameter ger en snabb svalning och vice versa. I figur 4.10 ses att svalningshastigheten inte påverkar elasticitetsmodulen eftersom förhållandet mellan spänning och töjning är näst intill lika mellan de olika proven med respektive diameter. Ämne Diameter [mm] E Ämne Diameter [mm] E a_10_15_ a_50_19_ a_10_15_ a_50_20_ a_10_22_ a_50_20_ a_10_22_ a_50_21_ a_10_34_ a_50_21_ a_30_15_ a_50_22_ a_30_22_ a_50_22_ a_30_34_ a_50_23_ a_50_13_ a_50_23_ a_50_13_ a_50_34_ a_50_14_ a_100_15_2_ a_50_15_ a_100_22_ a_50_16_ a_100_22_ a_50_18_ a_100_34_ a_50_19_ Tabell 4.10 Resultat mellan elasticitetsmodul och diameter på gjutgods 37

40 Resultat YS, A YS [MPa] 150 Diameter 50 Diameter 30 Diameter 100 Diameter Diameter [mm] Figur 4.11 Sambandet mellan sträckgräns och diameter på gjutgods Figur 4.11 visar att sträckgränsen beror av diametern och därmed svalningshastigheten. Snabbare svalningshastighet ger högre sträckgräns och vice versa. Ämne Diameter [mm] YS Ämne Diameter [mm] YS a_10_15_ a_50_19_ a_10_15_ a_50_20_ a_10_22_ a_50_20_ a_10_22_ a_50_21_ a_10_34_ a_50_21_ a_30_15_ a_50_22_ a_30_22_ a_50_22_ a_30_34_ a_50_23_ a_50_13_ a_50_23_ a_50_13_ a_50_34_ a_50_14_ a_100_15_2_ a_50_15_ a_100_22_ a_50_16_ a_100_22_ a_50_18_ a_100_34_ a_50_19_ Tabell 4.11 Resultat mellan sträckgräns och diameter på gjutgods 38

41 Resultat A, n1 K , ,250 K ,200 0,150 0,100 n1 K1, Ø10 K1, Ø100 K1, Ø50 K1, Ø30 n1, Ø10 n1, Ø100 n1, Ø50 n1, Ø , , Diameter [mm] Figur 4.12 Sambandet mellan diameter och K1 samt n1 Figur 4.12 visar att trenden för K1 sjunker med diametern på gjutgodset och därmed med svalningshastigheten. Spridningen av värdet på n1 är stor vid liten diameter och därefter sker en uppåtgående trend. Enligt ekvation 3.1 är det tre andra värden, Kneg, K2 och n2, som påverkar spänningen även om K1 och n1 anses ha störst betydelse. För värdetabell se bilaga [6] Sammanfattning: Experiment III Diametern och därmed svalningshastigheten ger grafiten i gråjärnet utrymme att utfällas i olika utsträckning. En långsam svalning ger grafiten utrymme att utveckla långa fjäll som fungerar som brottanvisning vid eventuell sprickbildning. Vid snabb svalning får inte grafitfjällen utrymme att växa sig stora och materialet får då högre hållfasthetsegenskaper. 39

42 Resultat 4.4 Experiment IV: Gjutning av gråjärn med varierande kolhalt och ympat med Fe-pulver Utvärdering av provserierna 1-4,6 I provserie 1-4,6 varierar endast kolhalten medan ympningsmedlet är konstant. Proverna har svalnat med tre olika svalningshastigheter snabb (Ø30 mm, chill), medel- (Ø 55mm, sand) och långsam (Ø95mm, insulation) svalningshastighet. UTS, C18, 1-4, UTS [MPa] 200 INSULATION SAND CHILL ,70 2,80 2,90 3,00 3,10 3,20 3,30 3,40 3,50 3,60 3,70 C [%] Figur 4.13 Sambandet mellan brottgräns och kolhalt I figur 4.13 ses att ökad kolhalt ger lägre brottgräns. Snabbare svalningshastighet ger högre brottgräns än långsam avsvalning. Avsvalning med låg- och medelsvalningshastighet ger likvärdig brottgräns, medan hög svalningshastighet medför ett markant högre brottgränsvärde. 40

43 Resultat Ämne UTS C [%] Ämne UTS C [%] 1I_ ,64 4I_ ,8 1I_ ,64 4I_ ,8 1I_ ,64 4I_ ,8 1K_ ,64 4K_ ,8 1K_ ,64 4K_ ,8 1S_ ,64 4K_ ,8 1S_ ,64 4S_ ,8 2I_ ,29 4S_ ,8 2I_ ,29 6I_ ,98 2I_ ,29 6I_ ,98 2K_ ,29 6I_ ,98 2K_ ,29 6K_ ,98 2S_ ,29 6K_ ,98 2S_ ,29 6S_ ,98 3I_ ,03 6K_ ,98 3I_ ,03 3I_ ,03 3K_ ,03 3K_ ,03 3S_ ,03 3S_ ,03 Tabell 4.13 Resultat mellan brottgräns och kolhalt E, C18, 1-4, E [MPa] INSULATION SAND CHILL ,70 2,80 2,90 3,00 3,10 3,20 3,30 3,40 3,50 3,60 3,70 C [%] Figur 4.14 Sambandet mellan elasticitetsmodul och kolhalt 41

44 Resultat I figur 4.14 visas att E-modulen sjunker med stigande kolhalt. Svalningshatigheten är svår att koppla ihop med E-modulen. Vid låg kolhalt har E-modulen en större spridning än vid höga halter. Anledningen till spridningen vid låg kolhalt är att grafiten bildar grafitkolonier och därmed inte får en jämn spridning i godset. Beroende på var dessa kolonier finns och var provstaven svarvas ut från gjutgodset får betydelse på hur E-modulen varierar. Där grafiten är lokalt större fås en låg E-modul och vice versa. Ämne E C [%] Ämne E C [%] 1I_ ,64 4I_ ,8 1I_ ,64 4I_ ,8 1I_ ,64 4I_ ,8 1K_ ,64 4K_ ,8 1K_ ,64 4K_ ,8 1S_ ,64 4K_ ,8 1S_ ,64 4S_ ,8 2I_ ,29 4S_ ,8 2I_ ,29 6I_ ,98 2I_ ,29 6I_ ,98 2K_ ,29 6I_ ,98 2K_ ,29 6K_ ,98 2S_ ,29 6K_ ,98 2S_ ,29 6S_ ,98 3I_ ,03 6K_ ,98 3I_ ,03 3I_ ,03 3K_ ,03 3K_ ,03 3S_ ,03 3S_ ,03 Tabell 4.14 Resultat mellan elasticitetsmodul och kolhalt 42

45 Resultat YS, C18, 1-4, YS [MPa] INSULATION SAND CHILL ,70 2,80 2,90 3,00 3,10 3,20 3,30 3,40 3,50 3,60 3,70 C [%] Figur 4.15 Sambandet mellan sträckgräns och kolhalt I figur 4.15 visas att sträckgränsen sjunker med ökad kolhalt. Snabbare svalningshastighet ger högre brottgrans och vice versa. Anledningen till att sträckgränsen är 0 i vissa resultat är att brottgränsen ligger innan sträckgränsen. Alltså, det finns ingen skärningspunkt mellan linjen vid 0,2 % töjning och kurvan i spänning-töjningsdiagrammet. 43

46 Resultat Ämne YS C [%] Ämne YS C [%] 1I_1 0 3,64 4I_1 0 2,8 1I_ ,64 4I_2 0 2,8 1I_3 0 3,64 4I_3 0 2,8 1K_ ,64 4K_1 0 2,8 1K_3 0 3,64 4K_2 0 2,8 1S_ ,64 4K_3 0 2,8 1S_ ,64 4S_1 0 2,8 2I_1 0 3,29 4S_2 0 2,8 2I_2 0 3,29 6I_1 0 2,98 2I_3 0 3,29 6I_2 0 2,98 2K_1 0 3,29 6I_3 0 2,98 2K_ ,29 6K_1 0 2,98 2S_ ,29 6K_ ,98 2S_ ,29 6S_1 0 2,98 3I_1 0 3,03 6K_2 0 2,98 3I_2 0 3,03 3I_3 0 3,03 3K_ ,03 3K_ ,03 3S_1 0 3,03 3S_2 0 3,03 Tabell 4.15 Resultat mellan sträckgräns och kolhalt Ur grafen n1 K1 1-4, 6 kunde inget samband finnas. För graf se bilaga [8], figur För värdetabell se bilaga [8, 10]. Sammanfattning: Utvärdering av provserie 1-4, 6 Högre kolhalt ger sämre hållfasthetsegenskaper. Gods som svalnar snabbt får högre hållfasthetsegenskaper än det gods som svalnar långsamt. 44

47 Resultat Utvärdering av provserierna 5-7 I provserie 5-7 varierar ympningsmedlet medan kolhalten är konstant. Ympningsmedlet som tillsattes var Fe-pulver. Proverna har svalnat med tre olika svalningshastigheter snabb (Ø30 mm, chill), medel- (Ø 55mm, sand) och långsam (Ø95mm, insulation) svalningshastighet. UTS, C18, UTS [MPa] INSULATION SAND CHILL ,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 YMP [wt%] Figur 4.17 Sambandet mellan brottgräns och mängd ympningsmedel I figur 4.17 ses att brottgränsen ökar med ympningshalten upp till en viss mängd. Därefter mättas smältan på ympningsmedel och kurvan planas ut. Maximal brottgräns uppnås i detta fall vid 1 % ympningsmedel. Detta händer efter att mer än 1 % ympningsmedel tillsätts. Gods som svalnat snabbt har högre brottgräns än gods som svalnat med låg- eller medelsvalningshastighet. 45

48 Resultat Ämne UTS YMP [wt%] Ämne UTS YMP [wt%] 5I_ ,30 7I_ ,00 5I_ ,30 7I_ ,00 5I_ ,30 7K_ ,00 5K_ ,30 7K_ ,00 5K_ ,30 7K_ ,00 5K_ ,30 7S_ ,00 5S_ ,30 5S_ ,30 6I_ ,00 6I_ ,00 6I_ ,00 6K_ ,00 6K_ ,00 6S_ ,00 6K_ ,00 Tabell 4.17 Resultat mellan brottgräns och mängd ympningsmedel E, C18, E [MPa] INSULATION SAND CHILL ,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 YMP [wt%] Figur 4.18 Sambandet mellan elasticitetsmodul och mängd ympningsmedel I figur 4.18 kan ses att mängden ympningsmedel inte nämnvärt påverkar E- modulen för det gods som svalnat med snabb svalningshastighet. Det gods som svalnat långsamt får en något högre E-modul vid högre ympningsmängd. 46