Hållfasthetsegenskaper i Gjutjärn

Hållfasthetsegenskaper i Gjutjärn Martin Kulig Pernilla Wetter EXAMENSARBETE 2007 MASKINTEKNIK

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: 2007-05-28 Arkiveringsnummer: Postadress: Besöksadress: Telefon: Box 1026 Gjuterigatan 5 036-10 10 00 (vx) 551 11 Jönköping

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

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

Innehållsförteckning Innehållsförteckning 1 Inledning... 5 1.1 BAKGRUND...5 1.2 SYFTE OCH MÅL...5 1.3 AVGRÄNSNINGAR...5 1.4 DISPOSITION...6 2 Teoretisk bakgrund... 7 2.1 DRAGPROV...7 2.2 SPÄNNING- TÖJNINGSDIAGRAM...7 2.3 GJUTJÄRN...9 2.3.1 Allmänt...9 2.3.2 Lamellartad grafit...10 2.3.3 Nodulär grafit...10 2.3.4 Kompakt grafit...11 2.3.5 Stelningshastighet...12 2.3.6 Ympning...12 2.3.7 Kolekvivalent...12 3 Genomförande... 13 3.1 EXPERIMENT I: GJUTNING AV GRÅJÄRN MED VARIERANDE KOLHALT OCH KONSTANT MÄNGD YMPNINGSMEDEL...14 3.1.1 Bakgrund...14 3.1.2 Gjutning...14 3.1.3 Kemisk sammansättning...15 3.2 EXPERIMENT II: GJUTNING AV GRÅ-, KOMPAKT- OCH SEGJÄRN MED VARIERANDE NODULARITET...16 3.2.1 Bakgrund...16 3.2.2 Gjutning...16 3.2.3 Kemisk sammansättning...16 3.3 EXPERIMENT III: GJUTNING AV GRÅJÄRN MED KONSTANT KOLHALT OCH OLIKA DIAMETER PÅ GJUTGODS...18 3.3.1 Bakgrund...18 3.3.2 Gjutning...18 3.3.3 Kemisk sammansättning...19 3.4 EXPERIMENT IV: GJUTNING AV GRÅJÄRN MED VARIERANDE KOLHALT OCH YMPAT MED FE- PULVER 21 3.4.1 Bakgrund...21 3.4.2 Gjutning...22 3.4.3 Kemisk sammansättning...22 3.5 UTVÄRDERING AV DRAGPROVKURVOR...23 4 Resultat... 24 4.1 EXPERIMENT I: GJUTNING AV GRÅJÄRN MED VARIERANDE KOLHALT OCH KONSTANT MÄNGD YMPNINGSMEDEL...24 4.1.1 Sammanfattning: Experiment I...29 4.2 EXPERIMENT II: GJUTNING AV GRÅ-, KOMPAKT- OCH SEGJÄRN MED VARIERANDE NODULARITET...30 4.2.1 Sammanfattning: Experiment II...34 4.3 EXPERIMENT III: GJUTNING AV GRÅJÄRN MED KONSTANT KOLHALT OCH OLIKA DIAMETER PÅ GJUTGODS...35 4.3.1 Sammanfattning: Experiment III...39 3

Innehållsförteckning 4.4 EXPERIMENT IV: GJUTNING AV GRÅJÄRN MED VARIERANDE KOLHALT OCH YMPAT MED FE- PULVER 40 4.4.1 Utvärdering av provserierna 1-4,6...40 4.4.2 Utvärdering av provserierna 5-7...45 4.4.3 Utvärdering av provserierna 5, 9...48 4.4.4 Utvärdering av provserierna 6 och 8...51 4.4.5 Jämförelse mellan provserierna 1-4, 6 i serie C18 och proverna i serie C13...54 4.4.6 Sammanfattning: Experiment IV...56 5 Slutsats och diskussion... 57 5.1 FORTSATT ARBETE...59 6 Referenser... 60 7 Sökord... 61 8 Bilagor... 62 4

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

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

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 2.1 2.2 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

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

Teoretisk bakgrund 2.3 Gjutjärn 2.3.1 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 215 000 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 65-310 3 60-260 3 0,4-7,1 3 65-145 3 50-70 5 Kompakt 270-510 3 255-380 3 1-15 3 103-169 3 38-44 5 Nodulär 450-850 3 300-600 3 0,5-25 3 142-179 3 30-35 5 Tabell 2.1 Egenskaper för gjutjärn med olika grafitstrukturer 9

Teoretisk bakgrund 2.3.2 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 4 2.3.3 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

Teoretisk bakgrund Figur 2.3 Mikrostrukturen i nodulär grafit 4 2.3.4 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

Teoretisk bakgrund 2.3.5 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. 2.3.6 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 2. 2.3.7 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% + + 4 4 ekvation 2.3 12

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

Genomförande 3.1 Experiment I: Gjutning av gråjärn med varierande kolhalt och konstant mängd ympningsmedel 3.1.1 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 2000-2002. 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 3.1.2 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

Genomförande 3.1.3 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% + + 4 4 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

Genomförande 3.2 Experiment II: Gjutning av grå-, kompakt- och segjärn med varierande nodularitet 3.2.1 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. 3.2.2 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. 3.2.3 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% + + 4 4 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

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

Genomförande 3.3 Experiment III: Gjutning av gråjärn med konstant kolhalt och olika diameter på gjutgods 3.3.1 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. 3.3.2 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

Genomförande 3.3.3 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% + + 4 4 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

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 0,121 - - - - - 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

Genomförande 3.4 Experiment IV: Gjutning av gråjärn med varierande kolhalt och ympat med Fe-pulver 3.4.1 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

Genomförande 3.4.2 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. 3.4.3 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% + + 4 4 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

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

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, C13 600 500 400 UTS [MPa] 300 CHILL INSULATION SAND 200 100 0 2,70 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

Resultat Ämne C% UTS Ämne C% UTS c13_1_chill* 3,62 363 c13_3_chill_2 3,05 429 c13_1_chill_1 3,62 338 c13_3_ins* 3,05 250 c13_1_ins* 3,62 154 c13_3_ins_1 3,05 263 c13_1_sand* 3,62 195 c13_3_ins_2 3,05 26051 c13_1_sand_1 3,62 191 c13_3_sand* 3,05 286 c13_1_sand_2 3,62 198 c13_3_sand_1 3,05 302 c13_2_chill* 3,34 368 c13_3_sand_2 3,05 307 c13_2_chill_1 3,34 412 c13_4_chill* 2,8 447 c13_2_chill_2 3,34 429 c13_4_chill_1 2,8 499 c13_2_ins* 3,34 211 c13_4_chill_2 2,8 521 c13_2_ins_1 3,34 227 c13_4_ins* 2,8 289 c13_2_ins_2 3,34 238 c13_4_ins_1 2,8 305 c13_2_sand* 3,34 254 c13_4_ins_2 2,8 306 c13_2_sand_1 3,34 251 c13_4_sand* 2,8 337 c13_2_sand_2 3,34 249 c13_4_sand_1 2,8 341 c13_3_chill* 3,05 440 c13_4_sand_2 2,8 351 c13_3_chill_1 3,05 429 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, C13 180000 160000 140000 120000 E [MPa] 100000 80000 CHILL INSULATION SAND 60000 40000 20000 0 2,70 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

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* 3,62 120000 c13_3_chill_2 3,05 148387 c13_1_chill_1 3,62 101110 c13_3_ins* 3,05 107000 c13_1_ins* 3,62 81000 c13_3_ins_1 3,05 89788 c13_1_sand* 3,62 102000 c13_3_ins_2 3,05 9427503 c13_1_sand_1 3,62 49713 c13_3_sand* 3,05 92000 c13_1_sand_2 3,62 62497 c13_3_sand_1 3,05 100379 c13_2_chill* 3,34 134000 c13_3_sand_2 3,05 93857 c13_2_chill_1 3,34 141121 c13_4_chill* 2,8 143000 c13_2_chill_2 3,34 143549 c13_4_chill_1 2,8 162781 c13_2_ins* 3,34 91000 c13_4_chill_2 2,8 155966 c13_2_ins_1 3,34 94240 c13_4_ins* 2,8 115000 c13_2_ins_2 3,34 84503 c13_4_ins_1 2,8 108862 c13_2_sand* 3,34 104000 c13_4_ins_2 2,8 105505 c13_2_sand_1 3,34 88098 c13_4_sand* 2,8 135000 c13_2_sand_2 3,34 85311 c13_4_sand_1 2,8 119281 c13_3_chill* 3,05 135000 c13_4_sand_2 2,8 112929 c13_3_chill_1 3,05 147710 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

Resultat YS, C13 600 500 400 YS [MPa] 300 CHILL INSULATION SAND 200 100 0 2,70 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* 3,62 305 c13_3_chill_2 3,05 412 c13_1_chill_1 3,62 308 c13_3_ins* 3,05 221 c13_1_ins* 3,62 120 c13_3_ins_1 3,05 235 c13_1_sand* 3,62 145 c13_3_ins_2 3,05 23996 c13_1_sand_1 3,62 182 c13_3_sand* 3,05 246 c13_1_sand_2 3,62 176 c13_3_sand_1 3,05 270 c13_2_chill* 3,34 338 c13_3_sand_2 3,05 263 c13_2_chill_1 3,34 387 c13_4_chill* 2,8 408 c13_2_chill_2 3,34 414 c13_4_chill_1 2,8 496 c13_2_ins* 3,34 183 c13_4_chill_2 2,8 506 c13_2_ins_1 3,34 213 c13_4_ins* 2,8 261 c13_2_ins_2 3,34 224 c13_4_ins_1 2,8 271 c13_2_sand* 3,34 219 c13_4_ins_2 2,8 271 c13_2_sand_1 3,34 218 c13_4_sand* 2,8 271 c13_2_sand_2 3,34 224 c13_4_sand_1 2,8 302 c13_3_chill* 3,05 419 c13_4_sand_2 2,8 306 c13_3_chill_1 3,05 412 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

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,K1 1400 1200 1000 K1 800 K1, CHILL K1, INSULATION K1, SAND 600 400 200 2,50 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

Resultat 4.1.1 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 50-100 % beroende av vilken kolhalt det har. Stelningshastigheten får större betydelse på hållfasthetsegenskaperna ju högre kolhalten är i godset. 29

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, C09 900 800 700 600 UTS [MPa] 500 400 SAND INSULATION CHILL 300 200 100 0-125 -100-75 -50-25 0 25 50 75 100 125 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

Resultat Ämne Nodularitet % UTS Ämne Nodularitet % UTS C09_1_chill* 0 715 C09_3_sand* 25 759 C09_1_ins* 0 513 C09_3_sand_1 25 777 C09_1_ins_2 0 530 C09_3_sand_2 25 767 C09_1_sand* 0 645 C09_4_chill* 100 850 C09_1_sand_1 0 665 C09_4_ins* 100 620 C09_1_sand_2 0 662 C09_4_ins_1 100 491 C09_2_chill* -100 379 C09_4_ins_2 100 612 C09_2_chill_1-100 366 C09_4_sand* 100 769 C09_2_chill_2-100 380 C09_4_sand_1 100 780 C09_2_ins* -100 201 C09_4_sand_2 100 807 C09_2_ins_1-100 211 C09_5_chill* 75 665 C09_2_ins_2-100 212 C09_5_ins* 75 591 C09_2_sand* -100 221 C09_5_ins_1 75 337 C09_2_sand_2-100 246 C09_5_ins_2 75 658 C09_3_chill* 25 798 C09_5_sand* 75 807 C09_3_ins* 25 620 C09_5_sand_1 75 809 C09_3_ins_1 25 631 C09_5_sand_2 75 786 C09_3_ins_2 25 560 Tabell 4.5 Resultat mellan brottgräns och nodularitet. Ämnen markerade med * visar värden från tidigare mätningar. E, C09 250000 200000 150000 E [MPa] 100000 SAND INSULATION CHILL 50000 0-125 -100-75 -50-25 0 25 50 75 100 125 Nodularitet [%] Figur 4.6 Sambandet mellan elasticitetsmodul och nodularitet 31

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* 0 164000 C09_3_sand* 25 146000 C09_1_ins* 0 136000 C09_3_sand_1 25 157611 C09_1_ins_2 0 138947 C09_3_sand_2 25 160397 C09_1_sand* 0 154000 C09_4_chill* 100 - C09_1_sand_1 0 545349 C09_4_ins* 100 161000 C09_1_sand_2 0 137721 C09_4_ins_1 100 172635 C09_2_chill* -100 92000 C09_4_ins_2 100 178733 C09_2_chill_1-100 78271 C09_4_sand* 100 169000 C09_2_chill_2-100 108180 C09_4_sand_1 100 168434 C09_2_ins* -100 83000 C09_4_sand_2 100 193819 C09_2_ins_1-100 67576 C09_5_chill* 75 189000 C09_2_ins_2-100 78845 C09_5_ins* 75 140000 C09_2_sand* -100 84000 C09_5_ins_1 75 112767 C09_2_sand_2-100 71301 C09_5_ins_2 75 171310 C09_3_chill* 25 167000 C09_5_sand* 75 166000 C09_3_ins* 25 138000 C09_5_sand_1 75 165218 C09_3_ins_1 25 162634 C09_5_sand_2 75 633033 C09_3_ins_2 25 157871 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

Resultat YS, C09 700 600 500 YS [MPa] 400 300 SAND INSULATION CHILL 200 100 0-125 -100-75 -50-25 0 25 50 75 100 125 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* 25 575 C09_1_ins* 0 450 C09_3_sand_1 25 586 C09_1_ins_2 0 489 C09_3_sand_2 25 579 C09_1_sand* 0 475 C09_4_chill* 100 - C09_1_sand_1 0 635 C09_4_ins* 100 566 C09_1_sand_2 0 525 C09_4_ins_1 100 0 C09_2_chill* -100 357 C09_4_ins_2 100 584 C09_2_chill_1-100 340 C09_4_sand* 100 543 C09_2_chill_2-100 357 C09_4_sand_1 100 613 C09_2_ins* -100 178 C09_4_sand_2 100 659 C09_2_ins_1-100 207 C09_5_chill* 75 - C09_2_ins_2-100 195 C09_5_ins* 75 538 C09_2_sand* -100 200 C09_5_ins_1 75 0 C09_2_sand_2-100 222 C09_5_ins_2 75 560 C09_3_chill* 25 - C09_5_sand* 75 575 C09_3_ins* 25 532 C09_5_sand_1 75 595 C09_3_ins_1 25 541 C09_5_sand_2 75 685 C09_3_ins_2 25 526 Tabell 4.7 Resultat mellan sträckgräns och nodularitet Ämnen markerade med * visar värden från tidigare mätningar. 33

Resultat Ur grafen C09, n1 K1 kunde inget samband finnas. För graf se bilaga [12], figur 4.8. För värdetabell se bilaga [4]. 4.2.1 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

Resultat 4.3 Experiment III: Gjutning av gråjärn med konstant kolhalt och olika diameter på gjutgods UTS, A 450 400 350 UTS [MPa] 300 250 200 150 Diameter 50* Diameter 30* Diameter 100* Diameter 10* Diameter 50 Diameter 30 Diameter 100 Diameter 10 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 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

Resultat Ämne Diameter [mm] UTS Ämne Diameter [mm] UTS a_10_15_1 10 387 a_50_21_2 50 233 a_10_15_2 10 366 a_50_22_1 50 158 a_10_22_1 10 286 a_50_22_2 50 148 a_10_22_2 10 298 a_50_23_1 50 229 a_10_34_1 10 280 a_50_23_2 50 186 a_10_15* 10 393 a_50_34_2 50 240 a_10_22* 10 293 a_50_13* 50 225 a_10_34* 10 394 a_50_14* 50 199 a_30_15_1 30 242 a_50_15* 50 262 a_30_22_1 30 155 a_50_16* 50 211 a_30_34_1 30 284 a_50_18* 50 247 a_30_15* 30 278 a_50_19* 50 200 a_30_22* 30 189 a_50_20* 50 216 a_30_34* 30 284 a_50_21* 50 241 a_50_13_1 50 241 a_50_22* 50 133 a_50_13_2 50 242 a_50_23* 50 232 a_50_14_1 50 238 a_50_34* 50 193 a_50_15_1 50 195 a_100_15_2_1 100 155 a_50_16_1 50 246 a_100_22_1 100 103 a_50_18_2 50 236 a_100_22_2 100 127 a_50_19_1 50 223 a_100_34_1 100 215 a_50_19_2 50 235 a_100_15* 100 176 a_50_20_1 50 193 a_100_22* 100 115 a_50_20_2 50 246 a_100_34* 100 197 a_50_21_1 50 236 Tabell 4.9 Resultat mellan brottgräns och diameter på gjutgods. Ämnen markerade med * visar värden från tidigare mätningar. 36

Resultat E, A 160000 140000 120000 E [MPa] 100000 80000 60000 Diameter 50 Diameter 30 Diameter 100 Diameter 10 40000 20000 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 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_1 10 596465 a_50_19_2 50 84879 a_10_15_2 10 133716 a_50_20_1 50 82012 a_10_22_1 10 82384 a_50_20_2 50 83401 a_10_22_2 10 85284 a_50_21_1 50 92440 a_10_34_1 10 150396 a_50_21_2 50 92674 a_30_15_1 30 84021 a_50_22_1 50 78370 a_30_22_1 30 54792 a_50_22_2 50 90856 a_30_34_1 30 59232 a_50_23_1 50 97259 a_50_13_1 50 91407 a_50_23_2 50 92409 a_50_13_2 50 94139 a_50_34_2 50 58897 a_50_14_1 50 65209 a_100_15_2_1 100 58473 a_50_15_1 50 87795 a_100_22_1 100 96858 a_50_16_1 50 97934 a_100_22_2 100 87286 a_50_18_2 50 86885 a_100_34_1 100 104519 a_50_19_1 50 89290 Tabell 4.10 Resultat mellan elasticitetsmodul och diameter på gjutgods 37

Resultat YS, A 300 250 200 YS [MPa] 150 Diameter 50 Diameter 30 Diameter 100 Diameter 10 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 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_1 10 0 a_50_19_2 50 182 a_10_15_2 10 0 a_50_20_1 50 236 a_10_22_1 10 279 a_50_20_2 50 204 a_10_22_2 10 251 a_50_21_1 50 203 a_10_34_1 10 0 a_50_21_2 50 208 a_30_15_1 30 153 a_50_22_1 50 184 a_30_22_1 30 0 a_50_22_2 50 221 a_30_34_1 30 119 a_50_23_1 50 202 a_50_13_1 50 193 a_50_23_2 50 201 a_50_13_2 50 226 a_50_34_2 50 143 a_50_14_1 50 153 a_100_15_2_1 100 140 a_50_15_1 50 258 a_100_22_1 100 194 a_50_16_1 50 206 a_100_22_2 100 166 a_50_18_2 50 210 a_100_34_1 100 219 a_50_19_1 50 208 Tabell 4.11 Resultat mellan sträckgräns och diameter på gjutgods 38

Resultat A, n1 K1 2000 0,300 1800 1600 0,250 K1 1400 1200 1000 800 600 0,200 0,150 0,100 n1 K1, Ø10 K1, Ø100 K1, Ø50 K1, Ø30 n1, Ø10 n1, Ø100 n1, Ø50 n1, Ø30 400 200 0,050 0 0,000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 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]. 4.3.1 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

Resultat 4.4 Experiment IV: Gjutning av gråjärn med varierande kolhalt och ympat med Fe-pulver 4.4.1 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, 6 400 350 300 250 UTS [MPa] 200 INSULATION SAND CHILL 150 100 50 0 2,70 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

Resultat Ämne UTS C [%] Ämne UTS C [%] 1I_1 146 3,64 4I_1 260 2,8 1I_2 132 3,64 4I_2 266 2,8 1I_3 128 3,64 4I_3 242 2,8 1K_2 207 3,64 4K_1 338 2,8 1K_3 200 3,64 4K_2 334 2,8 1S_1 156 3,64 4K_3 345 2,8 1S_2 163 3,64 4S_1 244 2,8 2I_1 173 3,29 4S_2 244 2,8 2I_2 189 3,29 6I_1 236 2,98 2I_3 186 3,29 6I_2 225 2,98 2K_1 270 3,29 6I_3 226 2,98 2K_3 273 3,29 6K_1 289 2,98 2S_1 185 3,29 6K_2 331 2,98 2S_2 193 3,29 6S_1 239 2,98 3I_1 202 3,03 6K_2 227 2,98 3I_2 199 3,03 3I_3 219 3,03 3K_2 327 3,03 3K_3 325 3,03 3S_1 221 3,03 3S_2 219 3,03 Tabell 4.13 Resultat mellan brottgräns och kolhalt E, C18, 1-4, 6 400000 350000 300000 250000 E [MPa] 200000 150000 INSULATION SAND CHILL 100000 50000 0 2,70 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

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_1 140498 3,64 4I_1 148069 2,8 1I_2 86959 3,64 4I_2 250261 2,8 1I_3 122617 3,64 4I_3 256625 2,8 1K_2 62687 3,64 4K_1 176097 2,8 1K_3 77357 3,64 4K_2 353335 2,8 1S_1 127967 3,64 4K_3 159129 2,8 1S_2 95832 3,64 4S_1 302478 2,8 2I_1 217805 3,29 4S_2 112516 2,8 2I_2 115784 3,29 6I_1 255324 2,98 2I_3 81006 3,29 6I_2 185935 2,98 2K_1 166187 3,29 6I_3 214392 2,98 2K_3 181996 3,29 6K_1 164204 2,98 2S_1 80293 3,29 6K_2 249184 2,98 2S_2 81834 3,29 6S_1 189169 2,98 3I_1 203736 3,03 6K_2 189276 2,98 3I_2 212000 3,03 3I_3 226645 3,03 3K_2 98492 3,03 3K_3 102210 3,03 3S_1 176966 3,03 3S_2 133758 3,03 Tabell 4.14 Resultat mellan elasticitetsmodul och kolhalt 42

Resultat YS, C18, 1-4, 6 400 350 300 250 YS [MPa] 200 150 INSULATION SAND CHILL 100 50 0 2,70 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

Resultat Ämne YS C [%] Ämne YS C [%] 1I_1 0 3,64 4I_1 0 2,8 1I_2 132 3,64 4I_2 0 2,8 1I_3 0 3,64 4I_3 0 2,8 1K_2 191 3,64 4K_1 0 2,8 1K_3 0 3,64 4K_2 0 2,8 1S_1 154 3,64 4K_3 0 2,8 1S_2 161 3,64 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_3 271 3,29 6K_1 0 2,98 2S_1 168 3,29 6K_2 332 2,98 2S_2 173 3,29 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_2 296 3,03 3K_3 292 3,03 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 4.16. 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

Resultat 4.4.2 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, 5-7 350 330 310 UTS [MPa] 290 270 250 230 INSULATION SAND CHILL 210 190 170 150 0,00 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

Resultat Ämne UTS YMP [wt%] Ämne UTS YMP [wt%] 5I_1 191 0,30 7I_1 234 2,00 5I_2 203 0,30 7I_2 225 2,00 5I_3 199 0,30 7K_1 328 2,00 5K_1 306 0,30 7K_2 318 2,00 5K_2 301 0,30 7K_3 325 2,00 5K_3 299 0,30 7S_1 238 2,00 5S_1 211 0,30 5S_2 207 0,30 6I_1 236 1,00 6I_2 225 1,00 6I_3 226 1,00 6K_1 289 1,00 6K_2 331 1,00 6S_1 239 1,00 6K_2 227 1,00 Tabell 4.17 Resultat mellan brottgräns och mängd ympningsmedel E, C18, 5-7 600000 500000 400000 E [MPa] 300000 INSULATION SAND CHILL 200000 100000 0 0,00 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