Alfred Olsen. Støpejern

Transkript

1 Alfred Olsen Støpejern Tønsberg, Høgskolen i Vestfold, 2005 Kompendium 1 / 2005

2 Kompendium 1 / 2005 Høgskolen i Vestfold Copyright: Høgskolen i Vestfold / Alfred Olsen ISSN

3 Forord Et konstruksjonsmateriales anvendbarhet i en konstruksjon avhenger av funksjonskravene en setter til konstruksjonen. Funksjonskravene avhenger i sin tur av hvilke belastningsforhold, temperaturforhold og korrosjonsforhold konstruksjonen forventes å bli utsatt for, samt forventet levetid for konstruksjonen. Funksjonskravene utgjør til sammen kravprofilet, som danner grunnlaget for hvilke materialegenskaper en velger å vektlegge. Disse utgjør til sammen materialets egenskapsprofil, som danner grunnlaget for valget av konstruksjonsmateriale. Dette vesle kompendiet tar sikte på å belyse de metallurgiske aspektene ved de forskjellige støpejernskvalitetene, sammenhengen mellom mikrostruktur og mekaniske egenskaper samt hvilke bruksområder de er egnet for. Støperidrift, støpefeil og produksjon av former samt er ikke tatt med. Tønsberg, 20. desember 2005 Alfred Olsen

4 Innholdsfortegnelse Side 1. Innledning Støpejernskvaliteter Metallurgiske forhold. Grått støpejern.2 4. Aduserjern Kulegrafittjern Hvitt støpejern Kompaktgrafittjern Høylegert støpejern Støpejernskvalitetenes vibrasjonsdempeevne Referanser...34

5 1. Innledning. Støpejern er et fellesnavn på en rekke forskjellige Fe-C-legeringer med karboninnhold på mer enn 2,0 %. Den maksimale løseligheten av karbon i austenitt ved 1153 o C er ca. 2,0 %. Støpejern er i motsetning til stål ikke beregnet for plastisk forming i fast tilstand. Gjenstander av støpejern får sin endelige form allerede ved utstøpingen. Smeltetemperaturen er o C. Smelten er dermed overhetet, i det eutektisk størkningstemperatur ligger på 1153 o C. Legeringene blir dermed mer lettflytende og får bedre formfyllingsevne. Formfyllingsevnen betyr nemlig mye for støpbarheten Videre er størkningskontraksjonen lav. Alt dette gir støpejernskvalitetene god støpbarhet. Grått støpejern har den beste formfyllingsevnen av støpejernskvalitetene.. På grunn av den relativt høye smeltetemperaturen er sandstøping den mest anvendte støpemetoden. Sammenliknet med andre formingsmetoder gir støping kortere tid fra utstøping til ferdigprodukt, og krever færre bearbeidingstrinn. Dessuten byr støping på flere muligheter for utforming enn andre tilformingsmetoder. Sandstøping med håndforming av sandformene er den minst kapitalkrevende og mest fleksible støpemetoden, dersom en tar sikte på å produsere støpestykker med stor variasjon av både godsstørrelse og form, og seriestørrelsene er små. Støpejernskvalitetene kan langt på vei konkurrere med stålene i styrke, men ikke i seighet. Til gjengjeld har de mye bedre vibrasjonsdempeevne. Best i så måte er grått støpejern, som er godt egnet som materiale i deler av roterende maskineri. Med dårlig demping i materialet kan vibrasjoner i motorer lett superponere seg til resonans, noe som fører til økt lagerslitasje og støy. Dårlig dempede vibrasjoner i frese- og dreiebenker under kjøring fører også lett til resonans, slik at skjæreverktøyet sperrer. Det vil si at verktøyets skjærende egg beveger seg ut og inn fra emneoverflaten i takt med resonansfrekvensen. Sperring gir et uønsket bølgemønster i den maskinerte overflaten. Andre gode egenskaper ved støpejern er slitasjebestandigheten og evnen til å holde på smørefilmer. Det siste gjelder særlig grått støpejern, som også har en viss selvsmørende evne ( nødsmøring ). 2. Støpejernskvaliteter. Støpejernskvalitetene inndeles vanligvis i følgende fem kategorier: -grått støpejern -aduserjern (adusergods) -kulegrafittjern -hvitt støpejern -kompaktgrafittjern -høylegert støpejern Det er de tre første typene som er mest kjent. Hvitt støpejern og høylegert støpejern blir produsert i liten utstrekning i Norge. Adusergods blir heller ikke produsert i Norge som en egen støpejernskvalitet, men forekommer i deler av støpegods som blir glødet for å fjerne kanthvitt. Områdene med kanthvitt får etter glødingen samme mikrostruktur som adusergods. 1

6 3. Metallurgiske forhold. Grått støpejern. Hovedlegeringselementet i støpejernskvalitetene er karbon. Figur 1 viser fasediagrammet for systemet jern - karbon. Både stabil og metastabil variant er tegnet inn. Den stabile varianten er tegnet inn med heltrukne fasegrenser. Den metastabile varianten er tegnet inn med stiplede fasegrenser. Videre er fargen på all tekst som bare gjelder den metastabile varianten av systemet grå. Temperaturene er skrevet med sorte tall. Figur 1. Fasediagrammet for systemet jern karbon. Både stabil variant (heltrukne fasegrenser) og metastabil variant (stiplede fasegrenser) er tegnet inn. All tekst som bare gjelder den metastabile varianten er skrevet med grå skrift /1, 2/. Støpejernskvalitetene følger den stabile varianten av systemet jern-karbon helt eller delvis. De kan ha undereutektisk, eutektisk eller overeutektisk sammensetning. Eutektiske legeringer har god støpbarhet. Karboninnhold vesentlig ut over 4,3 % er ikke vanlige, da primærgrafitt kan felles ut allerede på smeltestadiet. Denne grafitten er grovlamellær og kan flyte opp. Den kalles da kish og forringer kvaliteten på det ferdige støpet. 2

7 Eutektikumet som dannes ved størkningen av en støpejernlegering kalles grafitteutektikum, dersom legeringen størkner stabilt. Det består av grafitt og austenitt. Hvis legeringen størkner metastabilt, opptrer eutektikumet ledeburitt i mikrostrukturen. Det består av austenitt og jernkarbid (sementitt) ved størkningen. Karbonet som ikke blir utfelt som grafitt ved størkningen blir løst i austenittfasen. Løseligheten av karbon i austenittfasen avtar med synkende temperatur. Overskuddskarbonet skilles ut som enten sekundær grafitt eller sekundær sementitt, avhengig av om støpejernslegeringen har størknet stabilt eller metastabilt. Austenitten blir omdannet til perlitt når temperaturen kommer under A 1. Hvilke faktorer er det så som bestemmer om en Fe-C-legering størkner stabilt eller metastabilt? Størkningshastigheten spiller en stor rolle, men også innholdet av karbon og øvrige legeringselementer har betydning. Støperiets praksis for smeltebehandling og støping spiller også en stor rolle. Tendensen til dannelse av ledeburitt øker med økende størkningshastighet. Ledeburitt kan derfor opptre i tynne godstverrsnitt og kalles da kanthvitt. Ledeburitt er et hardt og sprøtt strukturelement som en normalt ikke vil ha i støpejern, bortsett fra i nikkellegert slitegods og i overflaten av støpte valser som blir støpt ved såkalt double-pouring. Det er en type sentrifulgalstøping der en del av formen er en hul metallsylinder. Hvitt støpejern har størknet metastabilt. Det kan konverteres til adusergods ved langvarig gløding (ca. 950 o C). Sandnes Aducerverk (som for lengst er historie) produserte smådeler av aduserjern, blant annet rørfittings. I Norge foregår det ikke lenger produksjon av adusergods. Karbon er felles legeringselement for samtlige støpejernskvaliteter. Men de kan også inneholde til dels betydelige mengder av andre legeringselementer. Disse blir tilsatt for å oppnå de egenskapene en ønsker at støpejernet skal ha. Tabell 1 gir en oversikt over de mest vanlige legeringselementene i støpejern og deres respektive virkninger. Tabell.1. Virkningen av noen av de mest vanlige legeringselementene utenom karbon i støpejern /1/. 3

8 En tilsvarende oversikt finnes også i /11/. Støpejernets totale karboninnhold lik summen av fritt (grafittisk) karbon og bundet karbon. % C total = % C grafitt + % C karbid (1) Silisium virker grafittiserende og fremmer dermed stabil størkning. Silisiuminnholdet i grått støpejern er 1,0 3,0 %. Økt grafittandel betyr mer ferritt i mikrostrukturen. Men i Si-legert støpejern er ikke det eutektiske og det eutektoide punktet entydig fastlagt slik som hos metastabile Fe-C-legeringer. Videre skjer både den eutektiske størkningen og den eutektoide omdanningen i støpejern over hvert sitt temperaturområde, ikke ved to bestemte temperaturer slik som hos metastabile Fe-C-legeringer. Størstedelen av ferritten foreligger i perlitt. Silisium forskyver både det eutektiske og det eutektoide punktet mot lavere karboninnhold. Et Siinnhold på 2,0 % forskyver det eutektoide punktet ned til ca. 0,6 %. Det betyr at selv om bare 0,6 % karbon ligger bundet som karbid i perlitt, kan støpejernet likevel være perlittisk. Men det er en mer karbidfattig perlitt enn den en finner i stål. En enda lavere andel av karbidbundet karbon gir også litt fri ferritt i mikrostrukturen. Silisium løses i ferritt og gir en hardere ferritt gjennom oppløsningsherding, men totaleffekten er redusert styrke og hardhet. Det er hovedsakelig ved hjelp av silisium og karbon en regulerer støpejernets grafittiseringstendens i ønsket regning. Figur 2 er et sterkt forenklet Maurer-diagram, som viser dette samspillet mellom karbon og silisium i støpejern. Figur2. Forenklet Maurer-diagram, som skjematisk viser virkningen av karbon og silisium på støpejernet /1/. 4

9 Siden både karbon, silisium og fosfor virker grafittiserende, er disse elementene samlet i karbonekvivalenten, CE. Fosfor danner forbindelsen Fe 3 P med jern Forbindelsen kalles steaditt. Den er hard og sprø og gjør også støpejernet sprøtt. CE = % C + (% Si + % P)/3 (2) Fosfor gjør smelten mer lettflytende og øker dermed formfyllingsevnen. Det ble tidligere utnyttet ved støping av ovnsplater. Platene har ofte et kunstnerisk utformet relieff, noe som krever god formfyllingsevne. Grått støpejern kan inneholde 0,01-1,00 % fosfor, men vanligvis er fosforinnholdet mindre enn 0,05 %. Figur 3 viser skjematisk sammenhengen mellom karbonekvivalent, mikrostruktur og godstykkelse i støpejern. Figur 3. Sammenhengen (skjematisk)) mellom mikrostruktur, karbonekvivalent og godstykkelse i støpejern /1/. Ymping eller inokulering er tilsetning av legeringsemner som fremmer grafittiseringen og motvirker tendensen til kanthvitt. Ympemidlene må tilsettes like før eller helst under utstøpingen. Virkningen blir da mye større enn om de hadde blitt tilsatt på et tidligere stadium i prosessen. Ympemidlene tilfører smelten et meget stort antall krystallisasjonskim som fremmer krystallisasjonen av grafitt under størkningen, noe som reduserer støpejernets tendens til underkjøling. Den høye kimtettheten resulterer i jevnere og mer finfordelte grafittflak. Ymping reduserer også tendensen til kanthvitt, noe som gir mer ensartede egenskaper i tverrsnitt med forskjellig tykkelse. Maskinerbarheten blir bedre og styrken øker, særlig i sterke støpejern med lav karbonekvivalent.. 5

10 Ympingen må brukes med kritikk og under kontroll, da den kan føre til porøsitet i godset og dessuten øker omkostningene. De mest brukte ympemidlene er fingranulert ferrosilisium og finknust grafitt. Ympemidlene blir som oftest tilsatt i støpestrålen under utstøpingen. Finknust grafitt er det mest effektive ympemidlet, men virkningen avhengig av at grafitten har høy renhetsgrad. For silisiumbaserte ympemidler er virkningen avhengig av at legeringene også inneholder små mengder aluminium og/eller kalsium. Gode resultater er også oppnådd ved å legge finknust ferrosilisium i formhulrommet før utstøpingen. For høyt innhold av aluminium i ympemidlet kan føre til pinholes, en spesiell type porøsitet i støpejernet. Virkningen av ymping på strekkfastheten er størst i de undereutektiske støpejernskvalitetene, men avtar med økende karbonekvivalent. I eutektiske og overeutektiske støpejernskvaliteter er virkningen minimal, se figur 4. Figur 4. Strekkfastheten som funksjon av karbonekvivalentenfor ubehandlet og ympet grått støpejern /1/. For å kontrollere hvor effektiv ympingen er benytter en ofte kileprøven. En sandstøpt kile støpes ut før og etter ympingen, se figur 6. Resultatet av prøven kan ikke sammenliknes direkte med støpestykket som skal støpes ut, men må sammenholdes ned erfaringsverdier for tilsvarende støpestykker. De sandstøpte kilene knekkes på midten og kanthvittdybden måles, se figur 5 og figur 6. Figur 5. Kileprøve for estimering av kanthvittdybden. Den spisse delen av kilen størkner raskest, men størkningshastigheten avtar etter som tykkelsen av godset øker. Egen skisse. 6

11 Figur 6. De utstøpte kilene knekkes på midten og kanthvittdybden måles. Bruddflaten er hvit der støpejernet har størknet metastabilt og grå der det har størknet stabilt. Kanthvittdybden før og etter ymping er kun kvalitativt inntegnet Egne skisser. Hvis en bruker silisiumholdige ympemidler, avtar kanthvittdybden med økende Si-mengde tilsatt under ympingen. Reduksjonen er sporbar inntil minst 0,4 % tilsatt Si, se figur 7. Figur 7. Kanthvittdybden som funksjon av Si-mengden (%) som blir tilsatt under ympingen /1/. 7

12 Bruddflatene på gjenstander av grått støpejern som har gått i stykker får en karakteristisk grå farge, derav navnet grått støpejern. Den utfelte grafitten foreligger som flakformet grafitt. På et metallografisk slip vises flakene bare som linjer, som er projeksjonene av grafittflakene i snittflaten, se figur 8. Figur 8. Mikrostruktur i perlittisk grått støpejern, ca. 290 ganger forstørret. De mørke linjene er gjennomskårne grafittflak som ligger loddrett på snittflaten av det metallografiske slipet. Grafitten er av type A. Eget foto. Det er slike metallografiske slipsom brukes til å bestemme grafittypen og størrelsen på grafittflakene. Den amerikanske standarden ASTM A-247 angir fem forskjellige hovedtyper av grafitt som kan forekomme i grått støpejern. Disse blir omtalt senere. Grafitten i grått støpejern felles ut som flak på grunn av sterkt anisotrop veksthastighet. Grafitt har heksagonal gitterstruktur, og det er planene {0001}som vokser raskest. På bruddflater av grått støpejern som studeres i elektronmikroskop kan en av og til se fordypningene etter hele grafittflak som er revet ut av bruddflaten. I disse kan en av og til se avtrykk etter en heksagonal plate som er revet ut. Dette samsvarer med at grafitt har heksagonal gitterstruktur, se figur 9. Figur 9. Bilde av en liten del av bruddflaten i grått støpejern. Legg merke til den sekskantede fordypningen etter et grafittflak som har blitt revet ut. Eget foto. 8

13 Hvert eneste grafittflak virker som en kjerv. Derfor er utmattingsfastheten til grått støpejern lav. I styrkeberegninger regner en med kjervfaktoren 1 for grått støpejern. Men det betyr bare at grått støpejern er ufølsomt overfor ekstra kjerver som for eksempel kilespor. Det finnes jo så utrolig mange kjerver i godset fra før! Grafittflakenes størrelse og fordeling betyr mye for de mekaniske egenskapene hos grått støpejern. American Society for Testing and Materials har utgitt en standard for klassifisering av flakgrafitt, som går både på fasong og størrelse på grafittflakene. Etter fasong deles grafittflakene inn i typene A, B, C. D og E, mens størrelsene deles inn i 1 til 8, der 1 er størst og 8 er minst. Som regel vil en ha en finfordelt grafitt av type A i grått støpejern. Den gir både bedre mekaniske egenskaper og finere overflate ved maskinering. Figur 10 viser flakgrafitt av type A. Figur 10 A-E er fra ASTM A-247 og viser skisser av de forskjellige grafittypene som kan opptre i grått støpejern. Figur 10. Skisser av de fem forskjellige flakgrafittypene som er listet i ASTM A-247 /1, 2/. 9

14 Den tilsvarende europeiske standarden for spesifisering av de forskjellige formene som grafitten kan foreligge i heter EN-ISO 945. Grafitt av type A blir ofte foretrukket i grått støpejern, da den gir støpejernet gode mekaniske egenskaper og lettere maskinering. Ved rutinemessig strekkprøving av grått støpejern er det som oftest bare strekkfastheten R m bestemt, ikke grensespenningen R p0.1. Strekkfastheten blir bestemt med en strekkprøvestav som er maskinert ut av en støpt stav med en diameter på 30 mm. Staven er enten støpt som en del av selve støpestykket, eller den er støpt ut i en separat sandform av det samme formmaterialet som støpestykket blir støpt i. Kjølehastigheten under størkningen influerer sterkt på størrelsen av grafittflakene, og influerer derfor også på strekkfastheten. Jo høyere kjølehastighet, desto finere grafittflakstørrelse, og jo finere grafittflakstørrelse, desto høyere strekkfasthet, se figur 11. Figur 11. Sammenhengen mellom strekkfasthet og godstykkelse hos grått støpejern. Fasthetsklassen blir bestemt ut fra en rund, støpt stav med en diameter på 30 mm. Betegnelsene på fasthetsklassene er i henhold til EN 1561:1997. Tallet etter bokstavkoden GJL er minimum strekkfasthet i N/mn 2 /1/. Ved konstruksjon av produkter som skal lages av grått støpejern er det altså ikke nok å bestille fasthetsklassen på støpejernet ut fra spenningene en har beregnet. En må også ta hensyn til godstykkelsen og helst påse at denne er noenlunde jevn. Ujevn godstykkelse kan føre til ujevn styrke i støpets forskjellige deler, og dessuten forårsake støpespenninger. Videre er trykkfastheten til grått støpejern om lag tre ganger større enn strekkfastheten. Det er også noe en bør ha for øye dersom en velger grått støpejern som konstruksjonsmateriale. 10

15 Ved sandstøping har en små muligheter for finjustering av kjølehastigheten. Under tillagingen av sandformen kan en legge inn kjølekokiller av materiale med høyere varmeledningsevne i formveggen, men dette blir helst gjort for å eliminere lokale varmesentra. Et varmesenter er et lokalt område med større godstykkelse enn omgivelsene. Kjølekokillene øker størkningshastigheten. Uten kjølekokiller ville det lokale varmesenteret ha størknet senere enn omgivelsene, noe som kunne ha ført til dannelse av et hulrom (lunker) i dette området. Ymping er en bedre metode for å oppnå en mer finfordelt grafitt, samtidig som tendensen til kanthvitt blir redusert. Ymping virker som tidligere nevnt best på undereutektiske legeringer. Nikkel virker svakt grafittiserende. Strekkfastheten øker litt fordi nikkel også virker svakt forfinende på grafitten. Dersom en vil ha grått støpejern i enda høyere fasthetsklasser, kan en legere inn små mengder av kopper, krom og/eller molybden. Men en må være oppmerksom på at både krom og molybden er karbidstabilisatorer som favoriserer perlittdannelsen. Støpejern med høyt Si-innhold (2,5 % eller mer) har et meget høyt grafittiseringspotensial. Metastabil størkning av slike legeringer krever sterk underkjøling. Mindre kraftig underkjøling under størkningen av slike legeringer resulterer i at det dannes et eutektikum av austenitt og meget finfordelt flakgrafitt. Denne grafitten kalles eutektiform og klassifiseres som grafitt av type D. Selv om karbonekvivalenten i slike legeringer tilsier eutektisk sammensetning, får de ofte likevel en undereutektisk mikrostruktur under størkningen, med dannelse av austenittdendritter før den eutektiske størkningen kommer i gang. På grunn av underkjølingen forskyves nemlig det eutektiske punktet mot høyere CE-verdier, se figur 12. Figur 12. Sterk underkjøling av en eutektisk legering med høyt silisiuminnhold forskyver legeringens eutektiske punkt mot høyere CE-verdier /2/. Den meget finfordelte grafitten og det høye silisiuminnholdet resulterer vanligvis i dannelse av en ferrittisk grunnmasse. Denne mikrostrukturen har overraskende høy strekkfasthet på grunn av de meget finfordelte og tettliggende grafittflakene, og gir en utmerket overflatefinish ved maskinering. 11

16 Moderat varmebortledning og lav kimtetthet i smelten resulterer i underkjøling i det størkningen starter, noe som fører til at det første eutektikumet størkner som eutektiform med finfordelt flakgrafitt av type D. Med moderat varmebortledning forblir mye av den latente størkningsvarmen i smelten, noe som fører til at temperaturen i smelten stiger. Det meste av underkjølingen blir dermed borte, og grafitten som deretter felles ut blir av type A. Men den lave kimtettheten fører til at denne grafitten vokser radielt ut fra cellene med euetktiform. Den kalles rosettgrafitt og klassifiseres som type B. Grafitt av type B er normalt ikke ønsket, da den ikke fører til økning av styrken og heller ikke gir noen fin overflate ved maskinering. I overeutektiske støpejernssmelter som avkjøles langsomt kan grovlamellær primærgrafitt felles ut i smelten før den eutektiske størkningen kommer i gang. Denne grovlamellære primærgrafitten blir klassifisert som type C. Hvis avkjølingshastigheten er lav nok, kan de grove lamellene av primærgrafitt kitte seg sammen og flyte opp som kish. Det høye karboninnholdet og de grove flakene av primærgrafitt reduserer elastisitetsmodulen, men øker varmeledningsevnen. Begge disse effektene øker bestandigheten overfor termiske sjokk. I sterkt undereutektiske gråjernsmelter dannes det under størkningen først en velutviklet dendrittisk struktur av austenitt innen den eutektiske størkningen kommer i gang. Denne eutektiske grafitten blir dannet som orienterte grafittflak i smale områder mellom dendrittarmene og klassifiseres som grafitt av type E. Grafitt av type E kan også forekomme sammen med grafitt av type D. Gråjern som er smeltet i induksjonsovn er sterkere og hardere enn gråjern som er smeltet i kupolovn., selv om de har samme karbonekvivalent og samme grafittstruktur. Fasthets- og hardhetsverdiene for gråjern som er smeltet i induksjonsovn ligger ca. 10 % høyere. Årsaken kan være at det skjer mindre oksidasjon av karbidstabiliserende elementer under smelting i induksjonsovn. Undersøkelser som ble foretatt i slutten av 1960-årene viste at gråjern, framstilt av meget rene utgangsmaterialer, med lavt innhold av fosfor, svovel, mangan, silisium samt sporelementer, kunne oppnå en vesentlig bedre bruddforlengelse enn vanlig gråjern. Bruddforlengelsen for det seige gråjernet i støpt tilstand var 1,5-2,5% mot 0,5 % for vanlig gråjern. Det er for det meste gråjern i høyere fasthetsklasser som blir framstilt slik. Tabell 2 gir en oversikt over en del mekaniske egenskaper hos grått støpejern i de vanlige fasthetsklassene som omfattes av NS-EN 1561:1997. Legg merke til at trykkfastheten for grått støpejern er om lag tre ganger større enn strekkfastheten. Standarden spesifiserer kun de mekaniske egenskapene strekkfasthet og/eller brinellhardhet for de forskjellige kvalitetene av grått støpejern. Hvordan disse egenskapene skal oppnåes er produsentens ansvar. I grått støpejern påvirker grafittflakenes antall og form strekkfastheten mer enn brinellhardheten. Sammenhengen mellom strekkfasthet og brinellhardhet får derfor relativt stor spredning. Standarden inneholder ingen spesifikasjoner av kjemisk sammensetning eller prosedyrer for varmebehandling av grått støpejern. Disse skal avtales mellom produsent og kunde før ordren aksepteres og undertegnes. 12

17 Egenskap GJL-150 GJL-200 GJL-250 GJL-300 GJL-350 Mikrostruktur (grunnmasse) F/P P Strekkfasthet, N/mm Trykkfasthet, N/mm Grensespenning R p0,1, N/mm Bruddforlengelse, % 0,3-0,8 0,3-0,8 0,3-0,8 0,3-0,8 0,3-0,8 Brinellhardhet, HBW Elastisitetsmodul, kn/mm Poissons tall 0,26 Utmattingsfasthet, strekk/trykk, N/mm Bruddseighet, N/(mm 3/2 ) Tabell 2. Oversikt over en del mekaniske egenskaper hos grått støpejern. F/P = ferrittisk/perlittisk grunn-masse. P = perlittisk grunnmasse. HBW30 betyr brinellhardheten målt med kule av hardmetall og en belastningsgrad på 30 /3, 9, 11/. Svovel er stort sett uønsket i også i støpejern, men skadevirkningene er mindre enn i stål. Svovel som er tilstrekkelig nøytralisert med mangan virker svakt karbidstabiliserende i grått støpejern, og fremmer dessuten grafitt av type A. Mangan blir tilsatt for å binde svovel. Teoretisk manganmengde som skal til for å nøytralisere svovel er: % Mn = 1, 7. (% S) (3) For å sikre at alt svovel er bundet, tilsettes i et lite overskudd av mangan. Hvis en ønsker et minimum av perlitt i grunnmassen, blir mangan tilsatt i et overskudd på 0,15 %: % Mn = 1,7. (% S) + 0,15 (4) Dersom en ønsker en helt perlittisk struktur, kan en tilsette mangan i et overskudd på 0,35 %: % Mn = 1,7. (% S) + 0,35 (5) Elementene krom, kopper, nikkel, molybden og tinn øker den mekaniske styrken. Krom og molybden øker også slitasjebestandigheten, det samme gjør vanadium. Gråjern i høyere fasthetsklasser er legert med ett eller flere av de ovennevnte elementene. Krom og molybden øker også varmefastheten. Molybdenlegert grått støpejern blir brukt i sylindertopper for dieselmotorer, men har på dette felt fått konkurranse fra en annen type støpejern, nemlig kompaktgrafittjern.. Dimensjonsstabilitet under drift er av største betydning for stort sett alle maskinkomponenter, men i særdeleshet for optiske lengdemålemaskiner og verktøymaskiner som CNC-styrte dreiebenker og fresebenker. Grått støpejern har meget god dimensjonsstabilitet, noe som framgår av målinger på EN-GJL-350, utført ved National Physical Laboratory i England: Tilstand Tidsrom Dimensjonsendring (relativ) Støpt 28 måneder <3, % Spenningsglødet 20 måneder <1, % Målingene viser at EN-GJL-350 har meget god dimensjonsstabilitet. Materialet er derfor velegnet til maskinfundamenter for optiske lengdemålemaskiner, se figur 13 og tabell 3. 13

18 Figur 13. Optisk lengdemålemaskin med maskinfundament av grått støpejern. Eget foto. Kvalitet Egenskaper Noen typiske anvendelsesområder NS-EN- GJL-150 NS-EN- GJL-200 NS-EN- GJL-250 NS-EN- GJL-300 NS-EN- GJL-350 Perlittisk/ferrittisk mikrostruktur uten kanthvitt. Spesielt godt egnet til smådeler med godstykkelse ned til 2,5 mm. Den lave hardheten gir materialet meget god bearbeidbarhet ved sponfraskillende bearbeiding med hye skjærehastigheter, spesielt i automatiske verktøymaskiner. Anvendes normalt til mindre detaljer med godstykkelse på minst 5 mm. Utmerket formfyllingsevne. Små mengder ferritt i strukturen. Minimal strukturforskjell fra leveranse til leveranse. God bearbeidbarhet ved sponfraskillende bearbeiding i programmerbare verktøymaskiner. God bearbeidbarhet ved sponfraskillende bearbeiding. Brukes til masseproduksjon av visse deler til bilindustrien og til små, trykktette hydraulikksylindrer. Alminnelig benyttet støpejern med både god styrke, høy godstetthet, god demping og bearbeidbarhet ved sponfraskillende bearbeiding. God herdbarhet. Ideelt til komplisert trykktett gods Perlittisk mikrostruktur gir materialet meget høy styrke. Spesielt egnet for store godstykkelser opp til 500 mm. Meget god overflatefinish ved sponfraskillende bearbeiding. Fremragende herdbarhet. Anvendes spesielt i kraftige seksjoner, der det kreves både høy styrke, god bearbeidbarhet, høy godstetthet og god dimensjonsstabilitet. Små ventiler, innsatser til glidelagre, deler til symaskiner, hus for handelsvekter. Hus for elektriske motorer, girkasser, deksler, konsoller, manifolder Velegnet til alle størrelser fra små seriedetaljer til store detaljer Deler til verktøymaskiner, transmisjonshus, pumpehus, hydraulikksylindrer, små tannhjul, bremsetromler, clutchskiver, ventiler. Spindeldokk, sleider og vanger for verktøymaskiner,, remskiver, store pumpehus og turbinhus, deler for dieselmotorer, store tannhjul og svinghjul, hydraulikkgods og ventiler, strålingsskjermer i kjernefysiske reaktorer. Kraftige fundamenter til store verktøymaskiner, presser, stanser, optiske lengdemålemaskiner, sleider, sylindrer, motorblokker og sylinderforinger til både dieselmotorer og bensinmotorer, kompressorer, svinghjul og tannhjul for høye hastigheter, brolagre. Tabell 3. Oversikt over egenskaper og noen typiske anvendelsesområder for grått støpejern /3/. 14

19 Bokstavene JL i bokstavkoden GJL er hentet fra NS-EN Den første bokstaven i bokstavkodene for både gråjern, aduserjern og kulegrafittjern er G. Støpejernskvalitetene har meget god formfyllingsevne og er derfor velegnet til kunststøping, Grått støpejern har den beste formfyllingsevnen. Figur 14 er et bilde av Ulefos Antikkovn. Materialet er grått støpejern. Produksjonen av denne ovnen må ansees som kunststøping. Figur 14. Bilde av Ulefos Antikkovn. Den avbildede ovnen er i tre etasjers utførelse. Motivet på sideplaten av selve ovnen er hentet fra romersk mytologi. Modellen til denne meget vakre og praktfulle vedovnen ble utført av den danske billedhuggeren Henrik Bech i 1776, og produksjonen av ovnen startet ved Ulefos Jernværk kort tid etter. Ytre sett er dagens ovn uforandret siden den gang, og den kan derfor med full rett kalles Antikkovn. Den eneste forskjellen er at den avbildede utgaven er utstyrt med katalysator, som besørger forbrenning av uforbrente komponenter i røykgassen. Ovnen er derfor klassifisert som rentbrennende. Forbrenningen av de uforbrente komponentene øker energiutbyttet fra veden og reduserer utslippet av uønskede partikler med opp til 90 %. Gjengitt med tillatelse fra Ulefos NV AS. Grått støpejern blir også i en viss utstrekning brukt som materiale i gategods beregnet for lave til moderate belastninger. Gategods er fellesnavn på rister, kumlokk, kumrammer og sluk av forskjellige slag. Gategods beregnet for større trafikale belastninger blir som regel støpt i kulegrafittjern. Dette blir nærmere omtalt senere. 15

20 4. Aduserjern. Aduserjern blir først støpt som hvitt støpejern. Smeltens kjemiske sammensetning er justert slik at størkningen blir metastabil. Etter utstøpingen foreligger alt karbon bundet som jernkarbid eller sementitt. (Fe 3 C), og godset er meget hardt og sprøtt. Deretter blir godset glødet ved 950 o C i ca. 25 timer. Ved denne temperaturen består mikrostrukturen til å begynne med av ledeburitt og noe sekundær sementitt. Under glødingen vokser grafittnoduler (temperkull) fram fra kim i austenittfasen. Sementitten går etter hvert i løsning og tilfører austenitten nytt karbon.. Etter endt gløding består mikrostrukturen av temperkull med uregelmessig form og en karbonrik austenitt. Figur 15 viser temperkullenes uregelmessisge form. Figur 15. Strukturbilde av ferrittisk aduserjern. Grafittnoduler har mye mindre kjervvirkning enn grafittflak, noe som gjør aduserjern til et seigere materiale enn grått støpejern. Eget foto. Dersom glødingen finner sted i en avkullende (dekarburiserende) atmosfære, kalles adusergodset lyst adusergods (engelsk: white malleable cast iron). Alt ubundet karbon foreligger da utfelt i form av temperkull i en austenittisk grunnmasse. Dersom glødingen finner sted i en nøytral atmosfære, kalles adusergodset mørkt adusergods (engelsk: blackheart malleable cast iron). Det skjer da ingen avkulling under glødingen, men også i mørkt adusergods foreligger alt ubundet karbon i form av temperkull. Etter endt gløding ved 950 o C blir godset forholdsvis raskt avkjølt til 750 o C (litt over A 1 ). Mikrostrukturen i grunnmassen fastlegges ved regulering av avkjølingshastigheten etter avkjølingen til 750 o C, eventuelt ved en etterfølgende separat varmebehandling av godset. Mikrostrukturen kan være ferrittisk, ferrittisk/perlittisk, perlittisk, bainittisk eller 16

21 martensittisk. Aduserjernet får derfor et vesentlig større fasthetsområde enn grått støpejern, se tabell 4. Lav avkjølingshastighet resulterer i en ferrittisk grunnmasse. Økende avkjølingshastighet resulterer etter hvert i ferrittisk/perlittisk, perlittisk, eventuelt også bainittisk eller martensittisk mikrostruktur. Innlegering av andre legeringselementer, spesielt mangan, har en liknende virkning. Innlegering benyttes som oftest i kombinasjon med varmebehandling eller regulering av avkjølingshastigheten etter den grafittiserende glødingen. Materialdesignasjon Symbol EN-GJMW EN-GJMW EN-GJMW EN-GJMW EN-GJMW Adusergods, mekaniske egenskaper i henhold til NS-EN 1562:1997 Nr. EN-JM1010 EN-JM1020 EN-JM1030 EN-JM1040 EN-JM1050 Nominell diameter av støpt prøveemne d mm Strekkfasthet R m N/mm 2 minimum Bruddforlengelse A 3,4 % minimum Grensespenning R p0.2 N/mm 2 minimum Brinellhardhet (bare for informasjon) HB30 minimum EN-GJMB EN-JM eller max. EN-GJMB EN-JM eller max. EN-GJMB EN-JM eller EN-GJMB EN-JM eller EN-GJMB EN-JM eller EN-GJMB EN-JM eller EN-GJMB EN-JM eller EN-GJMB EN-JM eller EN-GJMB EN-JM eller Tabell 4. Mekaniske egenskaper hos kvalitetene av lyst adusergods som omfattes av NS-EN 1562:1997. I symbolkoden betyr M adusergods, og W står for lyst adusergods (Malleable Whiteheart cast iron). Tilsvarende står M B for mørkt adusergods (Malleable Blackheart cast iron). Det første tallet i koden er strekkfastheten som er oppnådd med en 12 mm Ø umaskinert prøvestav. Det siste tallet er bruddforlengelsen i %. A 3,4 betyr at stavens målelengde l o er lik 3,4 S o /4/. 17

22 NS-EN 1562:1997 spesifiserer adusergodset kun ved mekaniske egenskaper. Hvordan disse skal oppnåes er produsentens ansvar. Standarden inneholder derfor ingen spesifikasjoner for kjemisk sammensetning av godset. Kjemisk sammensetning og varmebehandling av adusergods skal avtales mellom produsent og kunde før ordren aksepteres og undertegnes. Det er verdt å merke seg at strekkprøvingen skal utføres med umaskinerte prøvestaver. Den langvarige glødingen er energikrevende og kostbar. Oljekrisen høsten i 1973 førte til en kraftig økning av energiprisen, og denne har steget jevnt og trutt siden. Aduserjern har derfor blitt mindre og mindre konkurransedyktig i forhold til for eksempel kulegrafittjern, som på de fleste områder har enda bedre mekaniske egenskaper enn aduserjern. I Norge produseres ikke aduserjern lenger som egen kvalitet, men det foregår fortsatt produksjon av aduserjern i en del andre industriland, blant annet til motordeler, rørdeler og en del håndverktøy, deriblant kjevene på. tvinger, se figur 16. Figur 16. Tvinge med kjever av adusergods (Malleable Cast Iron). Eget foto. 18

23 5. Kulegrafittjern. I slutten av 1940-årene oppdaget britiske og amerikanske forskere at dersom en støpejernsmelte ble tilsatt små mengder cerium (Ce) eller magnesium (Mg) under tapping i tappeøsen, ble den eutektiske grafitten ikke felt ut som flak, men som kuler. Dette ble svaret på et lenge uttalt ønske om et seigere støpejern med en mer kompakt grafitt. Det er bare den amerikanske metoden med tilsetning av magnesium som har fått praktisk anvendelse. Magnesium har en radikal virkning på grafittstrukturen. Dersom smelten inneholder 0,04 % Mg under størkningen, blir grafitten felt ut i form av kuler eller rosetter istedenfor flak, se figur 17 og 18. Kulene er ikke massive, men består av en rekke sektorformede grafittkrystaller som vokser ut fra grafittkim i smelten. Denne virkningen av magnesium har en erfart seg fram til. Mekanismen er ennå ikke helt ut klarlagt. Figur17. Mikrostrukturen i perlittisk/ferrittisk kulegrafittjern. Hver grafittrosett har et tykt skall av ferritt rundt seg. Det skyldes at mye karbon fra Det nærmeste området rundt har diffundert inn og satt seg av på den voksende grafittrosetten. Det nærmeste området rundt hver grafittrosett har derfor blitt ferrittisk. Eget foto. Figur 18. SEM-foto av grafittrosetter (kuler) i bruddflaten av et støpestykke av kulegrafittjern. 268x. Eget foto. 19

24 Da magnesium har stor affinitet til svovel, må utgangsmaterialene være svovelfattige, og støpejernsmelten bør før tilsett av magnesium helst ha nær-eutektisk sammensetning. Smeltingen skjer som oftest i induksjonsovn. Magnesium er et lavtsmeltende metall med kokepunkt på 1120 o C. Metallet har således et høyt damptrykk ved støpejernets smeltetemperatur. Mye av det tilsatte magnesiumet fordamper derfor, og dampen forbrenner med et intenst hvitt lys når den kommer i kontakt med luft. Lyset er så intenst at det er farlig å se på uten mørke beskyttelsesbriller. For å redusere magnesiumtapet legger en legeringsemnene (en Fe-Si-Mg-holdig legering) i småstykker ned i en grop i øsebunnen. Av og til blir også en forlegering av nikkel og magnesium brukt sammen med ferrosilisium. Over disse stykkene legger en så et lag av dreiespon av jern. Det smeltede basisjernet fra ovnen renner rolig over gropen og trenger ned i denne. Innen legeringsemnene smelter og blandes inn, har smelten av basisjern fra ovnen nådd et visst nivå over gropen. Enkelte støperier som har tilgang til stålkjetting, bruker kjettingavkapp istedenfor dreiespon. Kjettingavkapp gir like god beskyttelse som dreiespon, og en behøver da ikke å mure grop i bunnen av tappeøsen, se figur 19. Tappestrålen må være samlet. Den gir da tilstrekkelig omrøring av smelten i øsen, slik at innlegeringen blir jevn. Figur 19. Prinsippskisse av tappeøse for framstilling av kulegrafittjern. Først legger en stykker av en Fe-Si-Mglegering i bunnen av øsen Over legeringsemnene legger en et lag av dreiespon og finkappet stål, fortrinnsvis kjettingavkapp, før øsen fylles med støpejernssmelte. Egen skisse. I likhet med gråjern har kulegrafittjern også tendens til kanthvitt i tynne godstverrsnitt etter størkningen. Støpestykkene kan etter størkningen glødes på samme måte som adusergods. Karbonet i mikrostrukturen blir da en blanding av temperkull og kulegrafitt. Men glødingen er dyr. Ymping er en bedre og billigere metode for å unngå kanthvitt. Det er også viktig å unngå unødig tynne godstverrsnitt. 20

25 Den gjeldende norske standarden for kulegrafittjern er NS-EN 1563:1997. Også denne standarden spesifiserer bare med de mekaniske egenskapene for de forskjellige kvalitetene. Hvordan disse egenskapene skal oppnåes er produsentens ansvar. Kjemisk sammensetning og eventuell varmebehandling av godset er overlatt til produsentens og kundens diskresjon. I tabell 5 er vist noen av de mekaniske egenskapene for noen av støpejernskvalitetene som omfattes av ovennevnte standard. Bokstaven S i koden for materialbetegnelse betegner kulegrafittjern (engelsk: SG-iron, tysk: Sphäroguss) Materialbetegnelse Ifølge NS-EN-1563:1997 NS-EN- GJS LT NS-EN- GJS LT NS-EN- GJS NS-EN- GJS NS-EN- GJS NS-EN- GJS Teknologisk egenskap Enhet Strekkfasthet, R m MPa Grensespenning, MPa R p0.2 Bruddforlengelse % 22,0 20,0 18,0 8,0 4,0 3,0 2,0 (18,0) (7,0) (3,0) (2,0) Brinellhardhet HB Grunnmassens mikrostruktur F F F+P F+P P+F P P Skårslagseighet, Charpy V (middelverdi av tre prøver) Ved -40 o C Ved -20 o C Ved +23 o C J 12,0 12,0 17,0 14,0 Elastisitetsmodul GPa Utmattingsfashet, Strekk(+)/trykk(-) MPa ±110 ±110 ±110 ±150 ±175 ±200 Trykkfasthet MPa Bruddseighet N/mm 3/ NS-EN- GJS Tabell 5. Mekaniske egenskaper for noen av støpejernskvalitetene som omfattes av NS-EN 1563:1997. F = ferritt. P = perlitt. LT = Low Temperature (krav til skårslagseighet). Verdiene for bruddforlengelse som står i parentes er minstekrav (som også gjenspeiler seg i kodene for de respektive materialbetegnelsene) /5, 6, 8, 9, 10, 11/. Kulegrafittjern kan herdes og få en martensittisk grunnmasse, som kan anløpes til en rekke slutthardheter. Også dette er med på å gjøre kulegrafittjernet konkurransedyktig med smigods på en rekke områder, ikke minst som materiale i maskindeler. Men herdingen krever gløding, og det må skje hos kunden. Norske støperier utfører ikke herding av kulegrafittjern. Figur viser bilder av forskjellige produkter av kulegrafittjern, produsert ved Mandal Castings AS. Formene tilvirkes ved håndforming. Som tidligere nevnt er denne formemetoden minst kapitalkrevende ved små seriestørrelser og stor variasjon av støpestykkenes vekt. Variasjonen av støpestykkenes detaljvekter er ganske stor. Ingen av støpestykkene er glødet etter utstøping, noe som viser at selv små detaljer kan støpes uten fare for kanthvitt, dersom en bruker ymping under utstøpingen

26 Figur 20. Støpt veivstang av kulegrafittjern. Detaljvekt: Ca. 1,5 kg. Gjengitt med tillatelse av Mandal Castings AS. Figur 21. Ventilhus av kulegrafittjern.. Detaljvekt: Ca. 4 kg. Gjengitt med tillatelse av Mandal Castings AS. Figur 22. To stempelstenger av kulegrafittjern for vridbar propell. Hver av stengene veier ca. 105 kg. Gjengitt med tillatelse av Mandal Castings AS. 22

27 Figur 23. Undervannshus for baug- og sidepropeller.. Detaljvekt: Ca kg. Gjengitt med tillatelse av Mandal Castings AS. Kumrammer, kumlokk og rister av forskjellige slag kalles med et fellesnavn for gategods. Kumlokk og kumrammer lages både i grått støpejern og kulegrafittjern, avhengig av hvilke belastninger de antas å bli utsatt for, se tabell 6. Tabellen gir en oversikt over klassifisering av gategods og respektive bruksområder i henhold til NS Tabellen er hentet fra produktkatalogen til Furnes Hamjern SCC as. Klassene heter A15, B125, C250, D400, E600 og F900. Tabell 6. Oversikt over styrkeklasser og respektive bruksområder for gategods i henhold til NS-EN 124 /6/. Tallet i hver klassebetegnelse er lik prøvelasten som produktet utsettes for i kn. For å tilfredsstille D400 må for eksempel et kumlokk tåle en belastning på 400 kn (eller ca. 40 tonn). Gategods i styrkeklasser over D400 blir produsert utelukkende i kulegrafittjern. Både Furnes Hamjern SCC as og Ulefos NV AS er storprodusenter av gategods. Seriestørrelsene er store, og sandformene tilvirkes i formingsanlegg med høy grad av automatisering, se figur 24 /6/. 23

28 Figur 24. Maskinforming av sandformer for gategods ved Furnes Hamjern SCC as. Figur 25. Kumlokk i styrkeklasse D400 av kulegrafittjern, med Holmestrands byvåpen. Lokket er støpt ved Furnes Hamjern SCC as /6/. Figur 25 viser et bilde av et kumlokk produsert ved Furnes SCC as. Kumlokket fyller kravene til styrkeklasse D400. Betegnelsen SJK er gammel betegnelse på kulegrafittjern. Betegnelsen stammer fra en gammel norsk standard som nå er trukket tilbake. 24

29 6. Hvitt støpejern. Hvitt støpejern størkner metastabilt og er meget hardt. Larvik Jernstøperi (som for lengst er nedlagt) produserte blant annet gjenstander av hvitt støpejern (Ni-Hard) til bruk i blant annet knuseverk og møller. Det foregår ikke produksjon av hvitt støpejern i Norge i dag. Men i India og England blir det produsert valser med slitesterkt skall av hvitt støpejern og en kjerne av melert og grått støpejern. Det blir benyttet en spesiell støpeteknikk som kalles double pouring. Støpeteknikken er en variant av sentrifugalstøping. Støpeformen er sammensatt av en tykk vertikalstilt metallkokille med topp og bunn av sand. Før ifyllingen settes støpeformen i rotasjon. Under ifyllingen er rotasjonshastigheten 850 omdreininger per minutt. Smeltet støpejern føres inn i formen fra toppen via spesielle keramiske ifyllingsrør som styrer støpestrålen mot den kalde kokilleveggen. Rotasjonen sikrer at den første smeltemengden størkner meget hurtig som et hardt skall av hvitt støpejern mot den kalde kokilleveggen. Etter at en viss smeltemengde er fylt i skjer det et midlertidig avbrudd i fyllingen av formen. Temperaturen kontrolleres nøye ved hjelp av termoelementer. Når temperaturen etter første trinn har sunket tilstrekkelig lavt, starter ifyllingstrinn nr. 2. Rotasjonen gjør at den nye smeltemengden gir et nytt skall som også størkner forholdsvis raskt, dog ikke så raskt som det første skallet. Formfyllingen avbrytes igjen, og temperaturen kontrolleres på nytt. Når den har sunket tilstrekkelig lavt, skjer sluttfyllingen i trinn nr. 3. Den sylindriske delen av det ferdige produktet får derved et hardt og slitesterkt skall ytterst, og en kjerne som går gradvis over i grått støpejern inn mot midten. 7. Kompaktgrafittjern. Kompaktgrafittjernet er en mellomting mellom grått støpejern og kulegrafittjern. Materialet er seigere enn grått støpejern, men ikke så seigt som kulegrafittjern. Kompaktgrafittjern dannes dersom støpejernsmelten ved størkningen inneholder ca. 0,015 % Mg istedenfor 0,04 %. På et bilde av mikrostrukturen framtrer den utfelte grafitten verken som kuler eller flak, men har et orme- eller markliknende utseende, se figur 26. Figur 26. Bilder av mikrostrukturen i kompaktgrafittjern.med ferrittiskgrunnmasse. Ca. 3 % av mikrostrukturen består av kulegrafitt /16/. Bildet til høyre er et SEM-foto av et dypetset slip av kompaktgrafittjern. 25

30 Kompaktgrafittjernets vibrasjonsdempeevne ligger et sted mellom vibrasjonsdempeevnen til kulegrafittjern og grått støpejern. Det samme gjelder materialets termiske ledningsevne, se figur 27. Figur 27. Termisk ledningsevne for grått støpejern, kompaktgrafittjern og kulegrafittjern /16/. Grunnen til at grått støpejern har bedre termisk ledningsevne enn både kompaktgrafittjern og kulegrafittjern ligger i den termiske ledningsevnen i heksagonal grafitt. Parallelt med basalplanene i grafitten er den termiske ledningsevnen i grafitt meget høy, og grafittflakene vokser raskest nettopp i basalplanretningene (kfr. figur 9). Det korrekte engelske navnet er på denne støpejernskvaliteten er compacted graphite iron (CGI), men på grunn av grafittpartiklenes markliknende utseende blir også navnet vermicular iron benyttet. Kompaktgrafittjernet har vært kjent like lenge som kulegrafittjernet, men fordi en i mange år manglet pålitelig teknikk for masseproduksjon, ble det gjort lite for å utnytte materialets egenskaper. Det er langt lettere å legere smelten med tilstrekkelig høyt Mg-innhold (minimum 0,04 %) enn å treffe nøyaktig nok på 0,015 % Mg. Derfor ble kompaktgrafittjernet i mange år nærmest en kuriositet. Men etter hvert som prosessteknologien ble forbedret, fikk en også mer nøyaktig kontroll av Mg-innholdet, slik at en kunne sette i gang masseproduksjon. SinterCast AB i Sverige /11, 12/ var de første som utviklet og patenterte en pålitelig prosessteknologi for storskalaproduksjon av kompaktgrafittjern. Denne teknologien brukes i dag av en rekke støperier verden over. Senere har andre prosessteknologier kommet til /16, 17, 18/. Men selv i dag må en ha et visst slingringsmonn på magnesiuminnholdet. Det er i praksis ikke mulig å treffe eksakt på 0,015 % Mg hver gang. Jo høyere magnesiuminnholdet er, desto høyere blir andelen av grafittnoduler (kulegrafitt) i støpejernet, se figur

31 Figur 28. Sammenhengen mellom totalt magnesiuminnhold og prosentvis andel av kulegrafitt i støpejern /12/. Det stabile området for kompaktgrafittjern strekker seg fra ca. 0,007 % til 0,015 % Mg, altså over et område på bare 0,008 %. Den aktive Mg-mengden minsker med ca. 0,001 % for hvert femte minutt. Mengden av magnesium som legeres inn i smelten må derfor være tilstrekkelig stor til at en unngår den brå overgangen fra kompaktgrafittjern til gråjern med flakgrafitt. Her kommer utstøpingstiden også inn i bildet. Hvis den blir for lang, kan det siste som støpes ut størkne som gråjern. Andelen kulegrafitt øker også med økende størkningshastighet. Tynne seksjoner av et støp får derfor større andel kulegrafitt enn tykke seksjoner. Det ansees i alminnelighet at andelen av kulegrafitt i kompaktgrafittjern ikke bør overstige % /12/. Det en har vært redd for er at en høyere andel vil redusere vibrasjonsdempeevnen så mye at den ikke blir stort bedre enn for kulegrafittjern. Grensen på % er imidlertid satt mer på skjønnsmessig enn på vitenskapelig grunnlag /19/, noe vi skal komme tilbake til. Det stabile området for kompaktgrafittjern er også avhengig av hvor mye ympemiddel som er tilsatt.. Økende mengde ympemiddel forskyver det stabile området mot høyere Mg-innhold. Tabell 7 viser typisk kjemisk sammensetning for kompaktgrafittjern med 0-20 % kulegrafitt og et perlittinnhold på 70 og 100 % Grunnmassens Kjemisk sammensetning, % struktur C Si CE Mn S Mg CeMM Cu Sn 70 % P 3,6-3,8 2,1-2,5 4,4-4,7 0,2-0,4 0,005-0,022 0,006-0,014 0,01-0,03 0,3-0,6 0, % P 3,6-3,8 2,1-2,5 4,4-4,7 0,2-0,4 0,005-0,022 0,006-0,014 0,01-0,03 0,6-0,9 0,08-0,1 Tabell 7. Typisk kjemisk sammensetning for kompaktgrafittjern med 0-20 % kulegrafitt og perlittinnhold i grunnmassen på 70 og 100 %. CE er karbonekvivalenten. CeMM er Cerium tilsatt som Mischmetall. /13/ 27

32 Egenskap Prøvemetode Temperatur ( c C) Strekkfasthet (MPa Flytegrense R p0.2 Elastisitetsmodul (GPa) ASTM E 8M (25 o O ASTM E 21 (100 o C og 300 o C) ASTM E 8M (25 o O ASTM E 21 (100 o C og 300 o C) ASTM E 8M (25 o O ASTM E 21 (100 o C og 300 o C) % perlitt % perlitt Forlengelse (%) Utmattingsgrense, Prøvestav uten kjerv (MPa) Utmattingsforhold Termisk ledningsevne,w/(m o C) Termisk utvidelseskoeffisient, µm/(m o C) ASTM E 8M (25 o O ASTM E 21 (100 o C og 300 o C) Rotasjonsbøyning, 3000 omdr/min Utmattingsgrense/R m Komparativ aksial varmestrøm, ASTM E 1225 Dilatometri DIN Poissons tall ASTM E ,5 1,5 1, ,46 0,45 0, ,0 11,5 12,0 0,26 0,26 0, ,0 1,0 1, ,44 0,44 0, ,0 11,5 12,0 0,26 0,26 0, Flytegrense R p0.2 i kompresjon ASTM E Faktor for reduksjon av Avhengig av kjerv- 25 1,40-1,80 1,40-1,80 utmattingsfastheten Geometrien Tetthet (g/cm 3 ) Fortrengning 25 7,0-7,1 7,0-7,1 Brinellhardhet HB30 Kule, 10 mm Ø, F/D 2 = Tabell 8. Mekaniske og fysikalske egenskaper for to typer av kompaktgrafittjern med 10 % kulegrafitt og med henholdsvis 70 % og 100 % perlitt i grunnmassen /13/. Tabell 8 viser mekaniske og fysikalske egenskaper for to typer av kompaktgrafittjern med 10 % kulegrafitt og henholdsvis 70 % og 100 % perlitt i grunnmassen. En økning av perlittinnholdet fra 70 til 100 % øker de mekaniske egenskapene strekkfasthet, flytegrense, brinellhardhet og utmattingsfasthet, men gir samtidig redusert bruddforlengelse og en svak reduksjon av varmeledningsevnen. De mekaniske og fysikalske egenskapene, og da særlig flytegrensen og strekkfastheten, er også avhengige av andelen av kulegrafitt i mikrostrukturen. Tabell 9 viser denne avhengigheten. Både flytegrensen, strekkfastheten, utmattingsgrensen og bruddforlengelsen øker med andelen av kulegrafitt, mens den termiske ledningsevnen blir redusert. Det fremgår ikke av tabellen at også vibrasjonsdempeevnen blir redusert når andelen kulegrafitt øker. 28