EXAMENSARBETE 2008:036 CIV Tätkontroll och tätkrav för gjutna artiklar inom fordonsindustrin Enbuske David Olofsson Johan Luleå tekniska universitet Civilingenjörsprogrammet Maskinteknik Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik Avdelningen för Maskinelement 2008:036 CIV - ISSN: 1402-1617 - ISRN: LTU-EX--08/036--SE
Abstract Tätkontroll och tätkrav för gjutna artiklar inom fordonsindustrin This Master thesis was carried out as a crossover project between Scania R&D - Engine Development and engine assembly in Södertälje, Sweden, during the fall semester 2007. The work was mostly performed at the assembly site Scania Engine 2 in Södertälje. This thesis completes the M.Sc. degree in Mechanical Engineering (ME) at Luleå University of Technology. The title for the thesis is "Leak Testing and Leak Specifications for Cast Components within the Automotive Industry". Leakages is apart from performance the most contributing factor for that approximately 10 % of all the engines assembled at the engine assembly sites doesn't get approved after the test-run right after the assembly line. These failed engines have to be repaired which increases the costs due to longer time to customer and large amount of waste within the assembly site. The leakages are most frequently caused by poor dressings or porosities in castings. The porosities may cause leakages of gases or liquids through the cast material. Cast aluminium components in the engine's cooling system are dominating this type of leakages by far. These aluminium components are cast and machined exclusively by external suppliers whom also have to ensure the quality of their products before delivering to Scania, e.g. through leak testing. The leak testing process is although often very insufficient which together with traditionally low requirements on the drawing leak specifications contributes to a lot of man hours spent on failing products. The thesis is focused on improving the significance of the drawing leak specification for cast materials by standardizing the work procedure for the designer when specifying the tightness requirement, and also by improving the leak testing methods and the usage of measuring apparatus among Scania s external suppliers. A major part of the project was focused on the development of a leak testing method using vacuum for lowering the need of high clamping forces when testing large sized components. The vacuum method was implemented at a couple of suppliers during the project and is included in the Technical Regulation for cast components constructed during the thesis. The regulation is intended to be used by the supplier when performing leak testing in connection with their manufacturing process by stating requirements and recommendations for nondestructive leak testing. An instruction for the designer when specifying the tightness requirement was also made containing new generally applying requirements for each material and medium and also containing a new standard for how to set the specific tightness requirement for cast components and thus it is replacing the old Scania standard STD1885. This new drawing standard differs from the old version mainly on one major point by stating how the tightness requirement has to be controlled by making a feedback link to the technical regulation. This will enhance the significance of the drawing leak specification. It was showed in the project that by using relatively simple means it is possible to achieve reliable measurements when using pressure measuring testing on as tough requirements as valid for aluminium components within the cooling system even for rather large components. An important conclusion made is that the waste level for the external suppliers will not increase when using tougher tightness requirements, an enhanced quality of the leak testing process will lead to less unnecessary scrap, this due to that non-leaking components often are scraped unnecessarily due to leakages in the measuring apparatuses. - i -
Sammanfattning Tätkontroll och tätkrav för gjutna artiklar inom fordonsindustrin Detta examensarbete utfördes som ett tvärfunktionellt projekt mellan Scanias motorutveckling och motormontering i Södertälje under sommaren och hösten 2007. Arbetet var mestadels förlagt till Scanias motormontering, by 150. Examensarbetet utgör den avslutande delen av civilingenjörsutbildningen i maskinteknik, inriktning maskinkonstruktion vid Luleå tekniska universitet. Projektet behandlar ritningskrav på täthet för gjutgods och metoder för att kontrollera tätkraven. Läckage är förutom prestanda den dominerande anledningen till att ca 10 % av Scanias motorer inte godkänns efter provkörning i samband med monteringen. De underkända motorerna måste repareras och detta är väldigt kostsamt då det förlänger ledtiden för en motor avsevärt och bidrar till omfattande kassationer i motorverkstaden. Läckagen beror oftast på otäta förband eller porositeter i gjutgods. Porositeterna kan göra att en gjuten detalj läcker gas eller vätska rakt genom godsväggen. Gjutna aluminiumartiklar i motorns kylsystem dominerar starkt denna typ av läckage. Aluminiumartiklarna gjuts och bearbetas uteslutande av underleverantörer till Scania vilka även har till uppgift att utföra tätkontroll på varje enskild komponent före leverans till motorverkstaden. Denna tätkontroll är dock ofta bristfällig vilket tillsammans med traditionellt lågt satta tätkrav på ritningsunderlaget bidrar till mycket arbete med felande produkter. Detta projekt fokuserades på att tydliggöra ritningskraven för täthet hos gjutgods genom att standardisera kravsättningen samt förbättra kontrollmetoderna och handhavande av mätutrustningen ute hos Scanias leverantörer. En stor del av arbetet lades ner på utarbetandet av en provningsmetod med hjälp av vakuum för att kunna minska behovet av de stora klämkrafter som erfordras vid tryckmätande provning av större komponenter. Vakuummetoden implementerades hos några underleverantörer till Scania och är även inkluderad i en teknisk bestämmelse för tätkontroll av gjutgods som utarbetades under projektet. Bestämmelsen är tänkt att vara vägledande för främst underleverantören vid tätkontroll av gjutgods i samband med tillverkningsprocessen genom att ställa krav och ge rekommendationer för icke-förstörande provning. Ett underlag för konstruktören vid angivandet av tätkravet för gjutgods utarbetades även. Underlaget innehåller nya generella tätkrav samt en ny ritningsstandard för angivande av täthet hos gjutgods och ersätter således den gamla Scaniastandarden STD1885. Den nya ritningsstandarden skiljer sig framförallt på en viktig punkt från den tidigare genom att läckagespecifikationen anger hur det satta tätkravet skall kontrolleras genom att göra en återkoppling till den tekniska bestämmelsen. På detta sätt ökas betydelsen av tätkravet på ritningsunderlaget. Under projektet visades bl.a. att relativt enkla medel gör det möjligt att uppnå tillförlitliga mätresultat med tryckmätande utrustning ner till de nya tätkraven gällande för aluminiumartiklar i kylvätskesystemet även för större komponenter. En viktig slutsats av projektet är att kassationsnivån hos leverantörerna inte ökar vid skärpta tätkrav genom att en ökad kvalitet i tätkontrollen minskar onödiga kassationer, detta då täta artiklar ofta kasseras i onödan pga bakgrundsläckage i mätutrustningen. - ii -
Förord Tätkontroll och tätkrav för gjutna artiklar inom fordonsindustrin Detta examensarbete har utförts vid Scania CV AB:s motormontering i Södertälje på uppdrag av grundmotorutveckling grupp motorstomme, NMBC och motormontering avdelning Direct Run Development, DED. Examensarbetet är ett tvärfunktionellt projekt mellan konstruktion och produktion. Arbetet utgör den avslutande delen av civilingenjörsutbildningen i maskinteknik (M), inriktning maskinkonstruktion vid Luleå tekniska universitet, 180p/270hp. Arbetet har utförts under ca 20 veckor (20p/30hp) med start den 2 juli 2007. Syftet med examensarbetet är att tillämpa de kunskaper som förvärvats under studietiden och att självständigt, eller likt detta i grupp om två, lösa en uppgift av samma slag som man kan förväntas utföra som nyutexaminerad civilingenjör [Benckert, 2005]. Ett ytterliggare syfte är att knyta värdefulla kontakter då många företag ser examensarbetare som en viktig rekryteringsgrund. Vi som är författare till denna rapport skulle vilja tacka våra handledare på Scania, Hans Östman, NMBC och Magnus Danielsson, DED för all er hjälp och stöd under projektets gång. Ett stort tack vill vi även rikta till Unto Ojaniemi, Fredrik Pettersson och Tor Rönnholm, DED samt Daniel Ekholm, SDT, Katharina Forsberg, NMBC och Göran Kolam, motorprovningen, för att ni varit väldigt behjälpliga och gett oss mycket stöd under projektet. Vi skulle även vilja tacka vår examinator på universitetet, Roland Larsson vid avdelningen för maskinelement. Ett stort tack även till Lars Hedlund och Bjarne Österberg, Nolek AB, Michael Richter och Tomas Berg, Kontrollautomatik AB samt Per Jennéus, Fredrik Enquist och Klas Nylander, Adixen Sensistor AB för att ni tagit er tid och bidragit med er stora kunskap och långa erfarenhet inom ämnet. Södertälje, februari 2008 David Enbuske Johan Olofsson - iii -
Terminologi Tätkontroll och tätkrav för gjutna artiklar inom fordonsindustrin Nedan följer en lista på ett antal termer som används flitigt i denna rapport. Ackumulationstid Den tid som krävs för att fylla ett provobjekt eller kåpa med spårgas för att uppnå en mätbar koncentration, kan reduceras med fyllnadskropp. Cykeltid Kan även benämnas provtid och avser tiden från det att mätobjektet anslutits till instrumentet tills dess att mätningen är avslutad. Detektera Upptäcka, registrera eller mäta en förändring i t.ex. tryck eller koncentration. Evakueringstid Tid i mätprocessen då trycket återgår till atmosfärstryck. Fyllnadskropp Genom att använda fyllnadskropp minskas provvolymen och därmed kan man uppnå en större mätkänslighet under korta mättider. Den totala cykeltiden minskas också då man kan använda kortare stabiliseringstider då temperaturutjämningen sker fortare. Kapillärkraft Avser den kraft som kan suga in en vätska i en tunn kapillär. Kraften drivs av adhesionen mellan vätskan och kapillärverkan i kombination med kohesionen som verkar mellan vätskans molekyler. I täthetshänseende bidrar kapillärkraften till igensättningen av porer då en artikel kommer i kontakt med en vätska. Läcksökning Lokalisering av läckage, ej summan av läckaget. Mättid Den tid under vilken förändringen i mätvolymen uppmäts. Provvolym Den volym inuti eller utanpå mätobjektet där förändringen uppstår. Produktutvecklingsprocessen (PD) Avser den ständiga produktutvecklingsprocessen som pågår för att utveckla Scanias produkter och tjänster. Den metod och det arbetssätt som används inom PD-processen kallas PD-metoden. Provning I detta examensarbete definieras provning som läcksökning och tätkontroll. Provmedium Det medium som används vid tätkontrollen. Kan vara och är vanligen ett annat medium (t.ex. luft) än det medium som används i drift. Omvandling från tätkravet i drift till ett annat medium och/eller tryck krävs oftast pga mättekniska skäl och för att spara tid och pengar samt av miljömässiga skäl. Läckagets storlek är beroende av vilket medium som används. - iv -
Provobjekt Det objekt som tätkontroll utförs på. Provtryckning Är en ren hållfasthetskontroll där man svarar på frågan om ett objekt håller vid trycksättning. Spårgas Gas med avvikande egenskaper från luft eller annan gas som omger provobjektet. En speciell detektor (ett instrument) används för att registrera skillnaden exempelvis luft och en utläckande spårgas vid läckagestället. Spårgasen kan t.ex. vara helium. Stabiliseringstid Vid trycksättning av en mätvolym skapas värme, för att uppnå bättre mätprecision bör temperaturen utjämnas innan själva mätningen genomförs, denna tid kallas stabiliseringstiden. Teknisk bestämmelse (TB) Kravdokument som fungerar som ett komplement till ritningar, kortfattat skall en TB innehålla allt det som inte normalt står på en ritning eller inte får plats på ritningen. Referens till eventuell TB skall finnas på aktuell ritning. Tätkrav Benämns ofta även som läckagekrav eller täthetskrav. Tätkravet på ritningsunderlaget anger maximal läckagenivå för den specifika artikeln. Läckaget kan vara uppdelat på ett flertal ställen över ett mätobjekt men tätkravet gäller den totala läckagenivån. Anges vanligtvis i volym per tidsenhet vid ett visst provtryck. Tätkontroll Används för att kontrollera om mätobjektet uppnår de ställda tätkraven. I detta examensarbete används ordet tätkontroll för både upptäcka och lokalisera läckage. Viskositet Viskositeten hos en vätska eller en gas är ett mått på dess inre friktion, d.v.s. dess interna motstånd mot att deformera sig under påverkan av skjuvkrafter. Vanligtvis definierar man viskositet som en fluids tjocklek, eller flödesmotstånd. Det finns två varianter av viskositet, dynamisk, η [Ns/m 2 ] och kinematisk, µ [m 2 /s] viskositet. Viskositetstyperna förhåller sig till varandra genom det strömmande mediets densitet, ρ=η/µ. Ytspänning Ytspänningen beror på intermolekylära krafter som verkar mellan molekylerna i vätskan. Ytspänningen gör att t.ex. insekter och små metalliska objekt så som nålar och rakblad flyter på vattnets ytskikt. Ytspänningen är också anledningen till vätskans kapillärverkan. Om vatten kommer i kontakt med t.ex. glykol sänks ytspänningen. - v -
Innehållsförteckning 1 INLEDNING... 1 1.1 BAKGRUND... 1 1.2 MÅL... 1 1.3 SYFTE... 2 1.4 AVGRÄNSNINGAR... 2 1.5 TILLVÄGAGÅNGSSÄTT OCH RAPPORTENS STRUKTUR... 2 1.6 FÖRETAGSPRESENTATION... 3 1.6.1 Berörda avdelningar... 3 2 FÖRSTUDIER... 4 2.1 NULÄGESANALYS... 4 2.1.1 Tanke bakom skärpta tätkrav... 5 2.2 GJUTTEKNIK... 6 2.2.1 Gjutmetoder... 7 2.2.2 Gjutlegeringar... 12 2.2.3 Gjutfel... 14 2.3 TÄTKONTROLL... 16 2.3.1 Tätkontroll i produktion... 17 2.3.2 Läcksökning... 18 2.3.3 Tätkontrollinstrument... 18 2.3.4 Säkerhet gällande provning med över- eller undertryck... 21 2.4 IMPREGNERING AV GJUTGODS... 23 3 LÄCKAGEFYSIK I SAMBAND MED TÄTKONTROLL... 26 3.1 DEFINITION AV LÄCKAGE... 26 3.2 STRÖMNING GENOM POROSITETER... 27 3.3 FÖRHÅLLANDET MELLAN PROVTRYCK OCH LÄCKAGE... 31 3.4 OMVANDLING MELLAN VÄTSKA OCH GAS... 35 3.5 TRYCKSÄTTNING AV PROVVOLYM... 36 4 RESULTAT OCH DISKUSSION... 38 4.1 FÖRTYDLIGANDE AV RITNINGSKRAVEN FÖR TÄTHET HOS GJUTGODS... 38 4.2 METOD FÖR TRYCKMÄTANDE PROVNING MED VAKUUM... 40 4.2.1 Mätkänslighet vid vakuumprovning... 43 4.2.2 Rekommendationer och slutsatser för vakuumprovning... 47 5 SLUTDISKUSSION... 49 5.1 BEDÖMNING AV MOTORMONTERINGENS TÄTKONTROLL... 49 5.2 SLUTSATSER ANGÅENDE EXAMENSARBETET... 50 5.2.1 Vidare arbete... 51 6 REFERENSER... 52 BILAGA 1 UNDERLAG FÖR ANGIVANDE AV TÄTKRAV FÖR GJUTGODS BILAGA 2 TB TÄTKONTROLL AV GJUTGODS BILAGA 3 VAKUUMPROVNING VARNÄSBOLAGEN BILAGA 4 YTSPÄNNINGSMÄTNING KYLVÄTSKA BILAGA 5 PRESENTERA DIFFERENSTRYCK I FLÖDESENHETER - vi -
1 Inledning Tätkontroll och tätkrav för gjutna artiklar inom fordonsindustrin Detta kapitel beskriver bakgrunden till projektet samt dess mål och syfte. Kapitlet definierar även projektets avgränsningar, beskriver rapportens struktur och tillvägagångssättet som använts för att nå de uppsatta målen. En presentation ges också i kapitlet av Scania och vart i organisationen författarna utfört examensarbetet. 1.1 Bakgrund Förutom prestanda är läckage den dominerande anledningen till att ca 10 % av Scanias motorer inte godkänns efter tätkontroll och provkörning i samband med monteringen. Reparation av varje underkänd motor är väldigt kostsamt då det bl.a. förlänger ledtiden för en motor avsevärt. Som en tumregel brukar man säga att kostnaden för en felaktighet multipliceras med en faktor 10 för varje steg i produktionskedjan. Ett väldigt förenklat exempel kan t.ex. vara ett monteringsfel som kostar 10 kr, om det upptäcks i efterhand på monteringslinan kostar det 100 kr att reparera, upptäcks felet vid provkörning kostar reparationen 1000 kr och måste felet rättas till i bil är kostnaden 10 000 kr [Danielson, 2007]. För att lättare kunna upptäcka läckage i samband med provkörningen införde Scania för ett par år sedan tillsatser, s.k. additiver i de vätskor som används vid provkörningen. Additiverna framträder tydligt vid belysning och avslöjar läckage både i form av otäta förband och vid porositeter i gjutgods. Porositeterna kan göra att en gjuten detalj kan läcka rakt genom godsväggen. Gjutna aluminiumartiklar i motorns kylsystem för hela 90 % av dessa läckage [Ojaniemi, 2007]. Aluminiumartiklarna tillverkas uteslutande av underleverantörer till Scania vilka även har till uppgift att utföra tätkontroll på varje enskild komponent för att säkerställa dess kvalitet. Denna tätkontroll är dock ofta bristfällig och de ritningskrav som används idag har man på motormonteringen, genom erfarenhet från motorprovningen, sett vara alldeles för låga. Detta medför mycket arbete med felande produkter menar man. Därför har Scania bestämt sig för att hitta nya relevanta tätkrav som både är rimliga att mäta med dagens metoder och resulterar i mindre läckage [Danielson, 2007]. Man har även påbörjat ett arbete med att förbättra de kontrollmetoder som används ute hos underleverantörerna. Förhoppningen är att skärpta tätkrav tillsammans med förbättrade kontrollmetoder skall fungera som en kostnadsoptimering genom att man minskar arbetet med felande artiklar. Det är dock inte bara kostnadsaspekten som initierat arbetet med skärpta tätkrav, inom lastbilsbranschen har tidigare en viss mängd läckage tidigare varit helt accepterat men som ett led i branschens och Scanias nya miljömål måste alla former av läckage minimeras. Bestämmelser i många länder går även mot att bilarna inte får läcka någon form av vätska, även vissa företag, speciellt inom livsmedelsbranschen, har liknande krav. I den rådande miljödebatten är problemet därför av högsta intresse att titta närmare på. 1.2 Mål Tydliggöra ritningskraven genom att standardisera kravsättningen och förbättra kontrollmetoderna samt arbetssättet då underleverantörerna tätkontrollerar den gjutna artikeln. Målet är även att kunna utreda om vakuumprovning kan användas som tätkontrollmetod i serietillverkning för att minska behovet av klämkrafter samt bedöma om motormonteringens tätkontrollmetoder är tillräckliga. Förhoppningen är även att kunna implementera resultatet i Scanias produktframtagningsprocess och allmänt kunna öka kunskapsnivån om läckage och tätkontroll hos berörda parter. - 1 -
1.3 Syfte Tätkontroll och tätkrav för gjutna artiklar inom fordonsindustrin Möjliggöra en hög och jämn kvalitetsnivå samt minska totalkostnaderna, d.v.s. minska kassationerna och förkorta genomloppstiderna. Mindre läckage i gjutgods skall leda till minskade produktionsstörningarna då en ny artikel tas i serieproduktion samt öka kvaliteten ute hos kunden och minska påverkan på miljön. 1.4 Avgränsningar Projekt är fokuserat på materialtäthet hos gjutgods, läckage i form av otäta förband berörs inte i detta projekt. Mestadels studeras läckage genom aluminiumartiklar i motorns kylvätskesystem, även om projektet har syftet att leda fram till ett resultat som även är möjligt att tillämpa på andra gjutna material och för andra medium. Anledningen till detta är att vattenbärande aluminiumgjutgods står för hela 90 % av porositetsproblemen i Scanias motorer. Vidare är inte projektet tänkt att varken gå in på djupet inom material- eller tillverkningsteknik, även om dessa områden berörs i projektets förstudie. Störst fokus kommer att ligga på tryckmätande provning, men även tätkontroll med hjälp av spårgaser kommer att beröras. Hur porositeterna påverkar en artikels hållfasthetsegenskaper berörs inte. 1.5 Tillvägagångssätt och rapportens struktur Detta examensarbete utfördes som ett tvärfunktionellt projekt mellan Scanias motorutveckling och motormontering i Södertälje under sommaren och hösten 2007, arbetet var mestadels förlagt till motormonteringen, by 150. För att uppnå projektets mål inledde författarna arbetet med en två veckor lång praktikperiod under juli månad på monteringslina, motorprovning och komponentanalys (Analysen). Detta med syftet att ge en produktkännedom, lära sig konstruera monteringsvänligt samt för att få en känsla för tempot i produktionen. Vidare gjordes en litteraturstudie inom de berörda kunskapsområdena och därefter påbörjades en intensiv försöksperiod där omfattande egna mätningar varvades med studier inom tätkontrollteknik och studiebesök både hos gjuterier samt tillverkare av tätkontrollutrustning. Ett utbyte gjordes även med Volvo Lastvagnar där representanter besökte motormonteringen i Södertälje. Ett motbesök var även planerat under hösten men flyttades av tidsskäl framåt i tiden. Metoden för vakuumprovning med tryckmätande instrument utarbetades sedan under en längre tid genom en omfattande försöksstudie och genom litteraturstudier, för att sedan verifieras och implementeras hos Alteams OY i Wasa, Finland och Varnäsbolagen utanför Västerås. En teknisk bestämmelse för tätkontroll av gjutgods utarbetades sedan där erfarenheter från försöksstudien och vakuummetoden inkluderades. Under den resterande tiden av examensarbetet fokuserades arbetet på att tydliggöra ritningsstandarden för täthet hos gjutgods och specificera nya läckagenivåer för dessa. Ytspänningsmätningar gjordes även på den färgade kylvätskan som används i motorprovningen för att utreda huruvida färgämnet bidrar till ökat läckage vid motorprovning. Rapporten är strukturerad med en inledande förstudie, innehållande bl.a. en nulägesanalys som beskriver förutsättningarna inför examensarbetet, likt en utförligare bakgrund, mer specifik för uppgiften. Förstudien innehåller även den inledande teori- och försöksstudien som ligger till grund för resultaten som arbetas fram i projektet samt också för de synpunkter som tas upp angående den tätkontroll som bedrivs i dagsläget. Efter den inledande förstudien återfinns en djupare studie av läckage i samband med tätkontroll där innehållet består både av material hämtat från litteratur samt material författarna kommit fram till själva. Projektets resultat samt diskussion och synpunkter för - 2 -
respektive resultat återfinns därefter. Sist i rapporten återfinns författarnas bedömning av motormonteringens tätkontrollprocess samt diskussion och slutsatser angående examensarbetet i sin helhet. 1.6 Företagspresentation Scania är en världsledande tillverkare av tunga lastbilar, bussar samt industri- och marinmotorer. Företaget är även en av branschens mest lönsammaste [www.scania.com, 2007]. Scania tillhandahåller även servicetjänster för alla sina produkter. Produkterna skräddarsys för varje kunds behov, detta för att förbättra kundens transportekonomi. De största marknaderna är Brasilien, Storbritannien, Tyskland och Sverige. Scania bedriver verksamhet i Europa, Latinamerika, Asien, Afrika och Australien och har sammanlagt ca 32 800 anställda. Forskning och utveckling är koncentrerad till Södertälje. De största produktionsorterna är Sao Paulo i Brasilien och Södertälje, i Södertälje finns även Scanias huvudkontor. Övrig tillverkning och montering är bl.a. lokaliserat till Luleå, Sibbhult, Falun, Oskarshamn, Argentina och Mexico. Produktionen i Sibbhult och Falun genomgår i skrivandets stund en flytt till Södertälje. Scania grundades år 1900 i Malmö och namnet Scania är ett latiniserat namn för Skåne. Bolaget slogs samman med personbils- och lastbilstillverkaren Vabis den 1 januari 1911 och blev Scania-Vabis, sammanslagningen ledde också till att Scania flyttades till Södertälje. Vabis grundades år 1891 i Södertälje med namnet Vagn Aktiebolaget i Södertälje. Scania-Vabis började samarbeta med Saab år 1969 och i samband med detta försvann Vabis-delen ur bolagsnamnet. Under 1990-talet köptes Saabs personbilsdivision av amerikanska GM och detta var början till splittringen av industrikoncernen Saab- Scania. Scania är idag ett eget publikt aktiebolag noterat på Stockholmsbörsen. Leif Östling har varit chef för bolaget sedan 1989. [www.wikipedia.org, 2007] 1.6.1 Berörda avdelningar På Scanias motormontering i Södertälje, där detta examensarbete utförts, sätts alla typer av motorer i Scanias produktserier för lastbilar och bussar ihop. När Scania för några år sedan ansåg att det tog alldeles för lång tid att från det att man upptänkte ett konstruktionsfel i produktionen tills dess att felet rättats till av konstruktörerna på Scania Teknisk Centrum bestämde man sig för att flytta en viss del av konstruktörerna ut på verkstäderna. Konstruktionsavdelningen på motormonteringen kallas NMK och de jobbar enbart med produktuppföljning, d.v.s. omkonstruktion av delar till motorer i befintlig produktion, s.k. rödpil. Tanken är utöver den självklara fördelen med att konstruktören fysiskt befinner sig intill produktionen också att man som konstruktör ska få en känsla för takten på golvet och vilka pengar som står på spel varje minut som en produkt felar. DED, Direct Run Development är den avdelning som författarnas ena handledare Magnus Danielson är chef för. Avdelningen har som huvuduppgift att optimera flödet genom fabriken. DED ansvarar tillsammans med Q-teamet och NMK för Analysen. Q-teamet är ett tvärfunktionellt team bestående av konstruktörer, inköpare, beredare, och anskaffare. Detta som en resurs och expertgrupp ute i produktion. Scania har ett Q-team på alla sina produktionsanläggningar runt om i världen. Slutligen, grundmotorutveckling - motorstomme, NMBC är den grupp författarna varit anställda av under examensarbetet. Gruppen ansvarar för bl.a. motorblock och cylinderhuvud men även flertalet gjutna aluminiumartiklar. Chef för gruppen är författarnas andra handledare Hans Östman. - 3 -
2 Förstudier Förstudien är en sammanställning av den kunskap författarna inhämtade under ett tidigt stadium av projektet genom litteraturstudier, studiebesök och egna inledande försök. I förstudien ingår en studie av förutsättningarna inför examensarbetet, en s.k. nulägesanalys samt inhämtad kunskap om gjutning, gjutmaterial, tätkontroll samt impregnering av gjutgods. 2.1 Nulägesanalys Historiskt sett har tätkrav på ritning definierats olika på olika företag och av olika konstruktörer. Traditionellt på Scania, likt många andra företag i branschen har konstruktören tittat på bl.a. funktionsmässigt liknande artiklar, storlek, lokala tabeller eller använt sig av ren erfarenhet [Östman, 2007]. Enligt Jonsson [1982] så har krav som absolut tätt eller gastätt använts genom åren vilket har medfört att beredare eller provningspersonal avgjort tätkravet i och med val av tätkontrollutrustning, detta beroende på att begreppet täthet är ett relativt begrepp. Det är av stor betydelse att konstruktören själv anger tätkravet då det är han eller hon som har överblick över detaljens funktion, säkerhetskrav, miljömässiga och ekonomiska krav. Det är också av stor betydelse att kravet är generellt giltigt och väldefinierat. Med detta avses att kravet inte hänvisar till en bestämd tätkontrollmetod och att kravet är specificerat för provning med någon form av gas, t.ex. luft eller spårgas. Med detta i åtanke har man därför standardiserat ritningskravet till maximalt tillåtet läckage fri luft per tidsenhet i övertryck vid rumstemperatur (se Figur 2-1). Figur 2-1 Standard för angivelse på ritning, de specifika värdena är dock bara ett exempel. Större delen av de läckage som upptäcks i samband med motorprovningen orsakas av porositeter i gjutna aluminiumartiklar [Ojaniemi, 2007]. Ofta hävdas det att detta beror på att aluminium är ett poröst material och att aluminium därmed alltid läcker likt en sil om materialet trycksätts, speciellt efter bearbetning. Från Scanias sida hävdar man att detta inte stämmer för de gällande läckagenivåerna, man menar istället på att läckaget oftast uppstår i en eller ett par porer. Enligt Danielson [2007] har man genom tusentals mätningar kunnat visa att vid hela 98 % av fallen uppstår läckaget endast ur endast en porositet. Samma studie har även visat att läckaget ofta beror på mätutrustningens fixtur. Det förekommer ofta ett grundläckage i mätfixturerna som ofta misstas för läckage vilket leder till onödiga kassationer. För aluminiumartiklar i motorns kylvätskesystem har man av tradition tidigare angivit ett - 4 -
tätkrav på mellan 80-100 mm 3 /s luft [Ojaniemi, 2007]. Enligt Danielson [2007] är detta krav alldeles för lågt och därför försöker man nu införa hårdare krav. Att införa en nollnivå eller däromkring på ritning är inte ett rimligt krav som tidigare diskuterats och därför har man bestämt sig för att inleda arbetet med att införa kravet 25 mm 3 /s luft vid 1,5 bars provtryck för vattenbärande aluminiumartiklar. 1,5 bar skall motsvara kylsystemtrycket i bil. Man har dock stött på rejält motstånd från framförallt sin egen inköpsavdelning på Scania som är rädda för att leverantörerna kommer att begära bättre betalt för sina produkter. Detta genom att en skärpt läckagenivå skulle betyda ökade kostnader genom t.ex. inköp av nya och bättre mätinstrument. Enligt Danielson [2007] har man dock sett att så inte alltid är fallet då man med enkla metoder så som underhåll av mätutrustningar samt genom att använda sig av bra fixturer kan uppnå bra mätkänslighet även vid skärpta tätkrav. Från både motormontering och konstruktion ser man införandet av nya tätkrav som en win-win -situation då man menar att både arbetet med felande artiklar hos Scania, tillika internkassationen hos leverantörerna kommer att minska. 2.1.1 Tanke bakom skärpta tätkrav Scanias tankesätt med införandet av nya hårdare tätkrav, likt 25 mm 3 /s vid 1,5 bars övertryck, är att antalet felande artiklar i arbete kommer bli färre genom att man flyttar kassationen närmare tillverkningen. När man skärper tätkravet tvingar man underleverantörerna att förbättra sin kvalitetskontroll och ytterst sin tillverkningsprocess. Genom att felen upptäcks i ett tidigare skede, innan leverans till Scania, är förhoppningen att totalkostnaden kommer att minska. 25 mm 3 /s är tänkt att fungera som en utgångspunkt när konstruktören anger ritningskravet för aluminiumkomponenter i kylsystemet. Kravet ska inte ses som ett absolut fast krav på tätheten hos alla aluminiumartiklar utan den slutgiltiga gränsen för varje typ av artikel är tänkt att måsta provas fram. Enligt Scania är den specifika nivån satt vid en flödesnivå man sett att de flesta kommersiella mätutrustningar ute hos underleverantörerna klarar av att mäta med god tillförlitlighet. För bränslekomponenter är kravet mycket tuffare, ca 1-5 mm 3 /s vid tre bar och ofta erfordras då någon form av spårgasprovning. För artiklar med lågt trycksatt olja, t.ex. oljesump, tillåts kraven vara betydligt generösare. Kvalitetsnivån kommer inte direkt att höjas med skärpta tätkrav menar man men förhoppningen är att antalet läckande artiklar levererade till Scania ska bli färre. Motorprovningen fungerar i nuläget likt en målvakt och antalet producerade, ej läckande, artiklar måste vara lika med antalet godkända motorer. Eftersom man även tidigare inte tillåter läckande motorer passera motorprovningen så kommer inte kvalitetsnivån ute hos kund att höjas. Man hoppas dock kunna minska antalet omkörningar, d.v.s. höja dagens Direct Run - nivå genom att minska antalet läckande motorer. Genomloppstiden för en motor är 1 till 1,5-dygn om allt går bra, men ca 3 till 3,5-dygn om motorn behöver repareras under tiden. Minimera man antalet omkörningarna skulle genomloppstiden i snitt för en motor kunna halveras, detta då nästan hälften av alla omkörningar beror på läckage. Dock är huvudmålet med införandet av skärpta tätkrav inte att reducera ledtider utan att driva ut spill från motorverkstaden. [Ojaniemi; Danielson, 2007] - 5 -
2.2 Gjutteknik Tätkontroll och tätkrav för gjutna artiklar inom fordonsindustrin Tillverkningsmetoden gjutning används framförallt vid tillverkning av komplexa delar som vore oekonomiska att tillverka med någon annan tillverkningsmetod. Gjutning innebär att flytande material (smälta), dock inte nödvändigtvis metall, hälls i en för ändamålet framställd form där materialet övergår till fast fas (stelnar). Formen kan antingen vara en engångsform eller en permanent form. Hela gjutprocessen kan delas in i sex steg: form- och kärntillverkning, smältning av material, avgjutning (hälla upp smälta i form), stelningsförlopp, urslag av detalj ur form och efterslag (rensning och efterbearbetning av detalj) [www.wikipedia.org, 2007]. Vid gjutning i engångsform tillkommer tillverkning av modellutrustning (form och kärna) tillskillnad från gjutning i permanent form där ett formverktyg används. Ofta används datahjälpmedel för att simulera upp gjutförloppet och på så sätt få en bild av hur bl.a. porbildningen kan komma att se ut. Några karaktäristiska egenskaper för gjutning [Lindström m.fl., 2000]: Svårbearbetbara material och legeringar kan gjutas Stor frihet i formgivningen, vilket möjliggör komplicerad formgivning och god design Ingen storleksbegränsning, allt från några gram till flera hundra ton kan gjutas Möjliggör god formgivning ur bl.a. utmattningssynpunkt Minskar behovet av kostsam skärande bearbetning Möjliggör tillverkning av sammansatta konstruktioner som en enda enhet vilket minskar antalet lagerhållning och därigenom totalkostnad Figur 2-2 Oljekylarkåpa i gjutet aluminium. - 6 -
2.2.1 Gjutmetoder Figur 2-3 Översikt gjutmetoder, engångsform [Lindström m.fl., 2000]. Figur 2-3 och Figur 2-4 ger en översiktsbild över tillgängliga gjutmetoder. Likt figurerna visar delas gjutmetoderna in i två huvudgrupper beroende på typ av gjutform. Gjutning i sandform hör till gruppen engångsform och kan vidare delas in efter typ av formmaterial likt Figur 2-3 visar. Gjutmetoderna kokill- och pressgjutning tillhör gruppen permanent form, se Figur 2-4. Figur 2-4 Översikt gjutmetoder, permanent form [Lindström m.fl., 2000]. - 7 -
Med anledning av att bl.a. verktygskostnaderna skiljer sig mellan de olika gjutmetoderna så används också normalt olika gjutmetoder beroende på seriestorlek, t.ex. är det vanligt att sandformar används under förserietillverkning och att press- eller kokillgjutning används under serietillverkning (se Figur 2-5). Att använda sig av olika gjutmetoder gör dock att artikelns egenskaper ändras från en förserie till serieproduktion. porbildningen är t.ex. helt olika mellan sand- och pressgjutning, vid sandgjutning är gas i smältan anledningen till porbildningen och vid pressgjutning bildas porositeter genom otillräcklig avluftning. Detta gör att man inte något kan säga om porositetsproblemen som kan uppkomma i en serietillverkad artikel genom en förserie. Att utföra tätkontroll vid förserie säger därför inte något om tätheten hos en serietillverkad artikel men det ger dock en bild av hur väl den valda tätkontrollmetoden fungerar, t.ex. fixtur- och packningsrelaterade problem som kan uppkomma. Figur 2-5 Val av gjutmetod i förhållande till seriestorlek. Figur 2-6 ger en bild av vilka gjutmetoder som är lämpliga för specifik gjutlegering. Som tidigare nämnts är både kokill- och pressgjutning väldigt väl lämpade för långserieproduktion, metoderna har även blivit speciellt populära vid gjutning av lättmetaller, så som aluminiumlegeringar, beroende på gjutformens livslängd [Lindström m.fl., 2000]. Vid gjutning av aluminiumlegeringar används ofta även gjutning i sandform som figuren visar. - 8 -
Figur 2-6 Lämplig gjutmetod för specifik gjutlegering [Lindström m.fl., 2000]. Gjutning i sandform Gjutning i sandform är den allmänt vanligaste gjutmetoden mycket pga att metoden är väldigt flexibel, både med avseende på gods- och seriestorlek, godsutformining samt typ av gjutmaterial. Gjutmetoden är användbar för gjutning av alla godsstorlekar från mycket små till mycket stora gjutartiklar. Metoden kan även användas oavsett seriestorlek då modellmaterialet kan anpassas därefter, vid små serier används handformning och vid medelstora och stora serier används maskinformning eller skalgjutning [Lindström m.fl., 2000], modellkostnaderna hålls därför förhållandevis låga. Metoden ger stor frihet vid formgivning då flerdelade formar/kärnor kan användas. Scania använder sig av sandgjutning bl.a. vid tillverkning av motorblock och cylinderhuvud vid Scanias motorbearbetningsfabriker i Södertälje och Sao Paulo. Principen för de olika metoderna att gjuta med hjälp av sandform är i stora drag lika med undantag för skalformning. Skalformning är även mindre lämpat för aluminiumlegeringar. Principen bygger på att såväl form som kärna byggs upp av hårt packad sand bundet samman av ett bindemedel, vanligtvis någon form av olja. Kemiskt bundna form- och kärnmassor så som furhartsbunden sand, vattenglasbunden sand samt skalsand används numera i allt större utsträckning. Dock används sand utan bindemedel - 9 -
i sandformningsmetoderna vakuum- och fullfilmsformning där sanden hålls samman ett kraftigt undertryck respektive av en modell som förångas under gjutprocessen. Gjutning i sandform ger dock bara måttlig noggrannhet och ytkvalitet. Man kan relativt enkelt särskilja sand- och pressgjutna komponenter genom att sandgjutgods har en tydlig skrovlig yta. Formmaterialet har även låg värmeledningsförmåga jämfört med kokiller eller formverktyg i stål vilket har stor betydelse för gjutmetallens stelningsförlopp gå de kan ge upphov till grov struktur och därmed sämre mekaniska egenskaper. Kokillgjutning Vid kokillgjutning används permanenta formar vanligtvis gjorda av stål [Lindström m.fl., 2000]. Formarna kallas kokiller. Kärnorna görs antingen av stål om utformningen kräver det eller av sand med ett bindemedel, då som engångskärnor. För att skydda kokillen och kärnan vid gjutförloppet mot den extrema temperaturökningen täcks de med ett tunt skyddskikt av ett eldfast material, s.k. black. Trots detta blir kokillens livslängd ändå begränsad, desto högre smälttemperatur hos gjutmaterialet, desto kortare blir kokillens livslängd. Metoden är följaktligen mer lämpad för gjutning av lättmetaller, t.ex. aluminiumlegeringar, livslängden är då begränsad till ca 50 000 gånger. Likt Figur 2-7 visar finns det två typer av kokillgjutning, statisk kokillgjutning och lågtryckskokillgjutning. Figur 2-7 Principskiss kokillgjutning. Vid statisk kokillgjutning värms kokillen upp till temperaturer kring 200-400 C varefter den blackas innan själva gjutprocessen. Kokillhalvorna förs sedan samman och låses, smältan får sedan falla fritt ner i formrummet. Principen för lågtryckskokillgjutning framgår även av figuren, matningen av smältan genom stigarröret sker genom att ett övertryck (20-50 kpa) i den gastäta varmluftsugnen skapas av ett pålagt luft- eller gastryck. - 10 -
Fördelar: Bättre hållfasthetsegenskaper än vid gjutning i sandform ger tunnare och lättare godsvikter God dimensionsnoggrannhet och ytkvalitet Relativt stor frihet vid formgivning då kokillen kan delas på flera sätt samt att både metall och sandkärnor kan användas Metoden är mycket lämpad för ingjutningar av olika delar, t.ex. bussningar, bultar och cylinderfoder av gjutjärn i lättmetallmotorblock Nackdelar: Storlek och viktbegränsning uppåt Kostnaden för kokillen är relativt hög och kokillen har en begränsad livslängd Metoden kräver relativt stora serier för lönsamhet, minimum 500-1000 detaljer Pressgjutning Likt kokillgjutning finns två typer av pressgjutning, varm- och kallkammarmetoderna beroende på hur tryckalstraren är konstruerad (se Figur 2-8). Pressgjutning bygger på att smällt material pressas med hjälp av en kolv in i gjutformen. Kolven är endera hydraulisk eller mekanisk. Det höga trycket och den höga injektionshastigheten gör att smältan kan pressas ut och fylla mycket tunna sektioner och invecklade konturer. Formen kallas för verktyg och består vanligtvis av stål. I kallkammarmaskiner ligger injektionscylindern, tryckkammaren fri och smältan överförs från en separat ugn. Varmkammarmaskiner är däremot nedsänkta i ett bad av smältan. Kallkammarmetoden används för legeringar med hög smältpunkt såsom koppar-, aluminium- och magnesiumlegeringar medan varmkammarmetoden används för lättsmälta legeringar. Verktygets livslängd är beroende av gjutmaterialet, gjutstyckets form och verktygsmaterialet, vid gjutning av aluminium- och magnesiumlegeringar är normalt livslängden ca 200 000 avgjutningar. Figur 2-8 Principskiss pressgjutning. - 11 -
Fördelar: Mycket god dimensionsnoggrannhet och ytjämnhet Mycket lite efterbearbetning krävs Stor noggrannhet vid placering av hål, slitsar och andra öppningar Bättre hållfasthetsegenskaper än vid gjutning i sandform vilket medför materialbesparingar och låg godsvikt, tunnväggigt gods ned till 1 mm kan tillexempel framställas Mycket lämplig för ingjutningar av olika detaljer såsom bussningar, bultar och cylinderfoder Nackdelar: Storlek och viktbegränsning uppåt Begränsad frihet vid formgivning Begränsad livslängd på verktyg vilket gör att metoden är lämpligast för material med låg smältpunkt Tekniskt avancerad och dyrbar maskin Hög verktygskostnad vilket gör att metoden kräver mycket stora serier för lönsamhet, normalt minst 5 000-50 000 detaljer 2.2.2 Gjutlegeringar De två mest vanligen förekommande typerna av gjutmaterial i motorer, aluminium och gjutjärn har valts att beskrivas i detta kapitel. Aluminiumlegeringar Grundämnet aluminium är ett ickemagnetiskt material som näst efter syre och kisel är det vanligaste ämnet i jordskorpan [www.alutrade.se]. Vanligt är att alla typer av aluminium och aluminiumlegeringar benämns aluminium, dock är det stor skillnad på aluminiumets olika egenskaper. Ren aluminium har en hög korrosionsbeständighet, låg hållfasthet samt mycket god värme- och elledningsförmåga. Olegerat aluminium har också en god reflektionsförmåga för såväl synligt ljus som värmestrålning. Ren aluminium används enbart då dessa egenskaper söks, t.ex. i hushållsföremål, förpackningar, folie, kokkärl, rörledningar samt optiska beläggningar och speglar [Lindström m.fl., 2000]. För att förbättra de mekaniska egenskaperna legerar man aluminiumet bl.a. med koppar, magnesium, kisel och mangan. Gemensamt för aluminium och dess olika legeringar är den låga densiteten, ungefär en tredjedel av densiteten hos koppar, mässing och stål. Aluminium och dess legeringar kännetecknas även av att de är lätta att forma och bearbeta. Energiåtgången vid t.ex. fräsning, borrning, kapning, svarvning, stansning och bockning är låg. Legerat aluminium har sämre korrosionsbeständighet samt elektriska och termiska egenskaper men avsevärt bättre hållfasthet. Vissa legeringar kan uppnå hållfasthetsvärden i klass med konstruktionsstål genom utskiljningshärdning. Det höga styrka-till-vikt-förhållandet gör att de används allt flitigare inom industrin i dess insatser att sänka materialvikt för att t.ex. minska bränsleförbrukningen. Aluminiumkomponenter i motorer ger också upphov till en lägre ljudnivå vilket framförallt är populärt inom personbilsindustrin. Exempel på användningsområden är bl.a. motorblock, insugningsrör, fälgar, kamerahus och stommar för mobiltelefoner. Nackdelar med att använda aluminiumlegeringar som konstruktionsmaterial är att höga temperaturer minskar - 12 -
hållfastheten. Kontinuerliga temperaturer över 100 C påverkar hållfastheten i så stor utsträckning att man vid konstruktion måste ta hänsyn till detta [www.sapa.se]. Längdutvidgningskoefficienten är också relativt stor jämfört med andra metaller. Aluminium är också ett relativt dyrt material och som en tumregel kan sägas att tillverkningssvårigheterna och därmed priset ökar med legeringens hållfasthet. En annan begränsning för är utmattningshållfastheten. Till skillnad från stål finns ingen definierad utmattningsgräns, d.v.s. utmattning kommer att inträffa även under mycket få cykler vilket gör att man måste konstruera efter en begränsad livslängd istället för en last. I våta miljöer uppstår galvanisk korrosion väldigt lätt i kombination med rostfritt stål. Vissa aluminiumlegeringar är speciellt anpassade för gjutning och bland dessa kan flera huvudtyper särskiljas. Den första huvudtypen är legeringarna med enbart kisel, silumin. Halten kisel kan variera mellan 7-12 % och dessa legeringar har god gjutbarhet och lämpar sig därför väl för tunnväggigt gods, t.ex. kåpor och oljesumpar. Den andra huvudtypen är legeringar av både kisel och koppar. Dessa legeringar har bättre skärbarhet än silumin. Den tredje typen innehåller förutom kisel även en låg halt av magnesium, 0,3 %, denna tillsats gör att legeringarna blir härdbara. Den fjärde typen har magnesium och en låg halt av kisel som tillsats vilket gör att de är svårare att gjuta än de övriga huvudtyperna men de har istället en mycket god korrosionsbeständighet mot havsvatten och saltmättad luft. Gjutet aluminium är ett poröst material som kan liknas med en ost, när man hyvlar osten öppnar man ofta upp håligheter, detta inträffar ofta också när man bearbetar gjutet aluminium, mer om detta i kapitel 2.2.3. [Lindström m.fl., 2000] Gjutjärn Gjutjärn är olika legeringar av järn med hög kolhalt, ca 2-4 % [www.ne.se, 2007]. Gjutjärn används för framställning av järngjutgods. I gjutjärn ingår även en relativt hög halt av kisel, främst ferrokisel, som tillsammans med den höga halten av kol gör att gjutjärnet har en god gjutbarhet. Detta kännetecknas av att legeringarna har relativt låg smältpunkt, är ganska lättflytande i smält tillstånd och bildar inte besvärliga oxidhinnor vid gjutning. Kolet förekommer i olika former i materialets struktur vilket ger gjutjärnet olika egenskaper, därför skiljer man på olika typer av gjutjärn. Gråjärn har fjällig grafitstruktur, grafitstrukturen hos segjärn är kulformig och aducerjärn har grafitnästen, i vitjärn är kolet bundet till järnet som cementit, Fe 3 C. Den femte typen av gjutjärn är vermikulärt gjutjärn, s.k. kompaktgrafitjärn, vars egenskaper ligger mellan gråjärnets och segjärnets egenskaper vilket gör att de ofta används i stålverkskokiller, cylinderhuvuden och avgasgrenrör. Råvaror vid tillverkning av gjutjärn är tackjärn, gjutjärn- och stålskrot samt legeringsämnen. Smältningen sker i kupolugn eller induktionsugn. Tackjärnet, s.k. råjärn, skiljer sig från gjutjärnet genom något högre kolhalt och i regel lägre kiselhalt. Främst gjuts järngjutgodset i sandform beroende på att den låga svalningshastighet gör att grafiten hinner utskiljas. Rör centrifugalgjuts i stålkokill, varvid järnet stelnar till vit struktur och sedan värmebehandlas materialet till grå struktur. Valsar gjuts i gjutjärnskokiller, vilket ger kokillhärdning, d.v.s. valsens ytlager snabbstelnar till vit, slitstark struktur samtidigt som det att valsens inre får en grå struktur med bättre seghet. Gråjärnet är volymmässigt störst på gjutgodsmässigt. Gråjärnet är relativt billigt och har god gjutbarhet genom att grafitutskiljningen ger volymtillväxt under stelningsprocessen, vilket kompenseras krympningen och järnet fyller därigenom ut gjutformen väl. Den unika järngrafitstrukturen ger även god skärbarhet vid bearbetning, d.v.s. korta spånor, och det gör även att materialet dämpar väl mot buller och vibrationer. Dessa egenskaper i förening med det relativt låga priset gör att gråjärnet är ett mycket konkurrenskraftigt - 13 -
konstruktionsmaterial trots att dragbrottgränsen är relativt låg, ca 150 350 MPa. Gråjärn används framförallt till motorblock och annat gods inom bilindustrin, rör och rördelar, kaminer samt hushållsgods så som t.ex. stekpannor. Det viktigaste legeringsämnet i gråjärn är kisel (1,5 3 %), detta då kisel underlättar bildningen av fjällgrafit. Legeringsämnet fosfor ökar flytbarheten under gjutprocessen, men för att undvika mikroporositeter hålls halten under 0,1 %. Ibland tillsätts även små mängder krom, nickel eller molybden för att öka hårdheten och nötningsmotståndet. Segjärn är ett gjutjärn som är legerat med en liten halt magnesium, 0,03-0,06 %. Detta ger segjärnet avsevärt högre hållfasthet än gråjärnet (350 800 MPa), materialet blir också därigenom segt i stället för sprött. Segjärn används för maskindelar med höga krav på seghet och hållfasthet samt rör och valsar. Aducerjärn har relativt låga halter av kol och kisel. Denna typ av gjutjärn gjuts med vit struktur, varefter cementiten överförs till grafit genom värmebehandling av det stelnande gjutgodset, aducering, vid ca 900 C, på detta sätt får aducerjärnet en högre hållfasthet och seghet jämfört med gråjärnet. Metoden har dock vissa nackdelar, det finns en begränsning i gjutgodsets tjocklek samtidigt som godset bör vara någotsånär jämntjockt för bästa resultat. Aducerjärnet är segt och har god skärbarhet och används framförallt till rördelar samt maskindelar, bildelar och lantbruksredskap av mindre storlek. Vitjärn är hårt och slitstarkt, dessa egenskaper kan förstärkas ytterliggare genom att legera vitjärnet med krom och nickel. Vitjärn är svårt att bearbeta vilket gör att det sällan används ensamt som konstruktionsmaterial utan mestadels i detaljer där dess höga hårdhet och mycket goda nötningsbeständighet kan utnyttjas, t.ex. i krossplattor, kvarnfoder och valsar. 2.2.3 Gjutfel Gjutning är en väldigt komplicerad process där många parametrar bestämmer kvalitén på slutprodukten. I stort sett alla metalliska produkter genomgår en gjutnings- eller stelningsprocess någon gång under tillverkningsprocessen. Defekter kan finnas kvar i produkten även efter efterbearbetning och det är därför mycket viktigt att gjutningen sker på ett korrekt sätt eftersom det är mycket svårt att åtgärda fel som uppstått där senare i processkedjan. Nedan följer några exempel på olika gjutfel, hur de uppkommer och dess effekter på den gjutna detaljen [Kaad, 2003]. Inneslutningar inbäddat i gjutgodset strax under ytan. De kan bestå av slaggpartiklar som följt med metallen eller bildats under gjutningen, de kan även bestå av sandpartiklar eller oxidskinn. Sandpartiklarna utgörs av hela sandstycken eller enstaka korn som endera funnits i metallen och inte blivit frånskilt eller helt enkelt fallit ned i gjutformen. En annan orsak kan vara för svag eller torr formmassa. Oxidinnerslutningar förekommer främst vid gjutning av lättmetaller och bildar sega sammanhängande oxidskinn. Inneslutningarna ger upphov till sämre duktilitet och mekaniska egenskaper. Gjutstruktur, t.ex. riktad stelningsstruktur (anisotropa egenskaper) och slumpvis stelnad struktur (isotropiska egenskaper), dendritstruktur (primärstrukturens grovlek) samt oxider och porositeter ger påverkar materialets kornstruktur vilket ger sämre mekaniska egenskaper. Segring, ojämn fördelning av legeringsämnen ger upphov till utskiljning av ej önskvärda strukturer och sammansättningsvariationer. Mikrosegring sker över dendritstrukturen och makrosegring sker över gjutstyckets hela dimension. Porositeter i gjutgodset försämrar hållfastheten betydligt men ger framförallt upphov till ett otätt gjutgods vilket skapar problem om godset skall vara trycktätt eller tätt mot vätske- och gasläckage. Tätkravet på ritning är inget gjutaren kan styra sin process mot, - 14 -