SE470092B - Förfarande för framställning av gjutgods med homogen grafitstruktur - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 470 092 2 Kompakt grafitiskt gjutjärns egenskaper utgör ett mellanting mellan gråjärn och segjärn. Sålunda har ett kompakt grafit- iskt gjutjärn 30-40% högre elasticitetsmodul än gråjärn, vilket innebär nästan samma värden som hos segjärn. Kompakt grafitiskt gjutjärn har högre, ofta mer än tio gånger högre duktilitet än gråjärn och har väsentligt högre draghållfast- het av storleksordningen x 2. Utmattningshållfastheten är av storleksordningen 100% högre än för gråjärn och även här av i det närmaste samma storleksordning som hos segjärn. Värme- konduktiviteten är av samma storleksordning som hos gråjärn medan den är väsentligt lägre hos segjärn.

Det föreligger således goda skäl att använda kompakt grafit- iskt gjutjärn för maskinkonstruktioner där goda hållfasthets- krav förenas med krav på hög värmekonduktivitet. P g a svå- righeter att på ett reproducerbart sätt kunna erhålla kompakt grafitiskt gjutjärn har man tidigare inte kunnat tillverka gjutna föremål i serieproduktion av denna typ av gjutjärn.

Det har emellertid visat sig möjligt att genom analys av temperaturdata i förhållande till tiden, som erhållits med temperaturkännande organ vid stelning av provmängder av den aktuella smältan, bedöma smältans innehåll av kärnbildare och modifieringsmedel, vilket möjliggör en noggrann bedömning av hur smältan kommer att stelna i en gjutform och också till- låter att man korrigerar innehållet av ympmedel och modifier- ingsmedel för erhållande av önskvärda egenskaper hos det gjutna stycket. Se SE-B-8404579-8 eller US-A-4 667 725.

Enligt dessa patent uppmätes med två temperaturkännande organ i en provbädd med smälta i termodynamisk jämvikt med prov- kärlet temperaturen under stelningsförloppet.

Det ena temperaturkännande organet är placerat i smältans centrum i provkärlet och det andra i närheten av provkärlets vägg i smältan. Vid stelningsförloppet registreras värden för underkylningen i smältan vid provkärlets vägg (T*w), rekal- scensen vid väggen, (rekw), den positiva differensen mellan temperaturen vid väggen och i centrum, (AT+), samt derivatan 10 15 20 25 30 35 40 470 092 3 av temperaturen vid väggen och i centrum, (Qjlàw vid konstant df ekvivalenta tillväxttemperaturer (g2)c = 0 med vars hjälp, dr med relation till kända referensvärden för analoga prov- tagningsförhållanden, närvaron av och mängden kristallisa- tionskärnor och mängden strukturmodifierande medel kan be- dömas och korrigeras genom tillsatser eller hålltider så att mängden motsvarar vad som behöves för att uppnå avsedd grafitstruktur i det färdiga gjutstycket.

De strukturmodifierande tillsatserna utgöres vanligen av magnesium eventuellt tillsatt med sällsynta jordartsmetaller, speciellt cerium.

Om halten löst, aktivt magnesium eller därmed ekvivalenta mängder av andra strukturmodifierande medel d v s den mängd av dessa element, som befinner sig i lösning, sedan oxider och sulfider därav utskilts i fast form, uppgår till ca 0,035% eller mera kommer grafitutfällningen att ske i nodulär form när smältan stelnar. Om halten sjunker till ca 0,0l5% kommer grafiten att utfällas som vermikulär gafit och om halten sjunker ytterligare till under ca 0,008% kommer grafiten att utfällas som fjällig grafit och gjutjärnet att stelna som grått gjutjärn. Det framgår härav att mellan ca 0,010 och 0,025% bildas huvudsakligen vermikulär grafit eller kompakt grafitiskt gjutjärn. Det har före nämnda patent- skrifter ej varit möjligt att reproducerbart framställa kompakt grafitiskt gjutjärn i seriemässig produktion.

Uppfinningen kommer nedan att beskrivas med hänvisning till specifika exempel och bifogade figurer, där fig. 1 visar kurvor för förändringen av grafitkristallernas struktur med olika mängder löst, aktivt magnesium resp. lokal anrikning av kärnbildande ämnen. De olika kurvorna representerar olika avsvalningshastigheter, resp. olika lokala variationer av kärnbildande ämne, fig. 2 visar i princip ett konventionellt svänghjul och 10 15 20 25 30 35 479 G92 4 fig. 3 visar ett svänghjul konstruerat och framställt i enlighet med föreliggande uppfinning.

Förutom mängden av strukturmodifierande ämnen (uttryckt som procent löst magnesium) spelar mängden kärnbildningspunkter samt den aktuella stelningshastighetten betydande roller vid strukturbildningen. Detta demonstreras i fig. 1, där den undre kurvan visar hur nodulariteten hos grafitkristallerna ändras (0% motsvarar ett fullständigt vermikulärt gjutjärn, medan 100% motsvarar ett fullständigt nodulärt järn, d v s ett segjärn). Vid ökning av antalet kärnbildande partiklar och/eller en ökning av stelningshastigheten förskjuts kurvan uppåt och till vänster i diagrammet.

Om därför antalet kärnbildande partiklar och/eller stelnings- hastigheter varieras lokalt i en gjutform kommer det gjutna materialet att uppvisa olika struktur, och därmed olika egenskaper. Föreliggande uppfinning innebär att man genom ett lämpligt val av kärnbildningstillsatser och/eller val av lokala stelningsförhållanden på ett oavsiktligt sätt kontrollerar den struktur och följaktligen de egenskaper, som är önskvärda i olika delar av ett gjutstycke.

Det är möjligt att rita upp en kurva över halten grafit utfälld i form av noduler i förhållande till halten löst aktivt magnesium i smältan. Det har nu visat sig möjligt att även rita upp liknande kurvor där man tar hänsyn till stel- ningshastigheterna exempelvis angiven i Ks-1. Man erhåller då olika kurvor för olika stelningshastígheter, där den S- -formade kurvan flyttas åt vänster vid högre stelnings- hastigheter. Fig. 1 visar som nämnts sådana kurvor, där kurva I motiverar en stelningshastighet på 1 Ks-1 och kurva II 5 Ksnl. Om man sålunda gjuter en smälta innehållande 0,018% aktivt, löst magnesium i en form och därvid tillser att formrummet och därmed det framställda gjutstycket har en sådan dimension eller anordnar kylning i formen med kyl- kroppar eller värmeupptagande medier att kylhastigheten blir exempelvis 5 Ks_l kommer gjutstycket i dessa delar att stelna med 50% nodulär grafit. Om vidare andra delar av samma gjut 1.0 15 20 25 30 35 470 092 stycke stelnar med en hastighet av 1 Ks°l kommer grafitstruk- turen att bli i huvudsak vermikulär med ca 5% nodulär grafit.

Detta möjliggör konstruktion av gjutstycken med inhomogen grafitstruktur i olika delar av gjutstycket. Om sålunda till- ses att stelningshastigheten i det område som skall innefatta segjärnstruktur kyles snabbt exempelvis med en hastighet av 5 Ks_l kommer i det i fig. 1 illustrerade fallet med en halt av 0,018% aktivt, löst magnesium att leda till en struktur med ca 50% nodulär grafit och sålunda högre hållfasthet men lägre värmeledningsförmåga än de delar av gjutstycket som stelnar med en hastighet av 1 Ks-l', där halten nodulär grafit endast är ca 5% och den övervägande delen av grafiten i vermikulär form. Detta resultat kan åstadkommas om värme transporteras bort från den smälta metallen i gjutformen med olika mängd per tidsenhet antingen genom att delar som skall stelna med nodulär grafit görs tunna eller förses med närliggande värmeupptagande eller värmeborttransporterande medel, såsom kylelement eller kylslingor.

Det är välkänt för fackmän inom gjuteriområdet att i gjut- formar inlägga kylslingor och kylelement. Detta har emeller- tid så vitt känt alltid skett för att förbättra fyllnings- möjligheterna i en given gjutning och för att minska kyl- ningshastigheten i tunnare sektioner och öka den i tjockare.

Detta är i princip motsatt idé i förhållande till föreliggan- de uppfinning och torde snarare leda fackmannen i motsatt riktning.

I ett praktiskt utföringsexempel kan exempelvis nämnas ett svänghjul till kopplingen i ett motorfordon. Ett svänghjul består av en roterande skiva med ett nav fäst vid Vevaxeln och roterande med densamma. När kopplingen är inkopplad överföres motorns drivmoment via en kopplingslamell och tryckplattan till drivaxeln, som via växellådan driver bilen under körning. Vid start och ofta under körning kopplas drivkraften bort genom att tryckgjutplattan lyfts bort från svänghjulet för att sedan under slirning åter inkopplas.

Därvid omvandlas det mekaniska arbetet som uppstår genom 10 15 20 25 30 35 470 592 6 friktion mellan delarna till värmeenergi, som måste bort- transporteras från svänghjulets periferi. Samtidigt överförs hela motorkraften via svänghjulets nav till tryckplattan, vilket kräver nödvändig hållfasthet och hög elasticitetsmodul hos svänghjulet och speciellt hos navet.

P g a kravet på tillfredsställande värmeledningsförmåga till- verkas svänghjul vanligen av gråjärn eller sätts samman av olika material. Ett sådant förfarande kräver antingen att hjulet göres överdimensionerat speciellt i navpartiet av hållfasthetsskäl. Gråjärn har dessutom låg dimensions- stabilitet. I fallet sammansatta material kan givetvis egen- skaperna optimeras, men tillverkningsproblem fördyrar till- verkningen. Det är därför önskvärt att framställa ett sväng- hjul i en gjutning där friktionsytan i hjulets periferi består av kompakt grafitiskt gjutjärn till minst ca 80% och därmed S 20% nodulärt gjutjärn. Dessa värden motsvarar en föreslagen standard där material i friktionsytan uppvisar den önskade höga värmeledningsförmågan samtidigt som man erhåller en hög nötningsbeständighet. I navdelen av svänghjulet är materialets grafitstruktur till mer än 50% nodulär, alltså ett segjärnsliknande material, vilket ger en hög hållfasthet och hög styvhet i jämförelse med andra typer av gjutjärn. Det är möjligt att minska materialtjockleken till hälften i navdelen om man övergår till segjärn från gråjärn. Om man övergår till ett material med minst 80% kompakt grafit i nöt- ningsskivan erhålles praktiskt taget samma värmelednings- förmåga som med gråjärn, men hållfastheten ökar väsentligt, liksom styvheten. Det är i och för sig känt att framställa svänghjul helt av kompakt grafit gjutjärn. Dessa är bättre än svänghjul i gråjärn men leder ej till den väsentliga materialbesparing som erhålles enligt föreliggande upp- finning.

Genom att flytta massan radiellt utåt, kan man med lägre totalvikt bibehålla samma tröghetsmoment hos svänghjulet, vilket givetvis är en av dess huvuduppgifter.

'H 10 15 20 25 30 35 40 470 092 7 Fig 2 visar ett svänghjul framställt av gråjärn och fig. 3 ett svänghjul med framställd inhomogen grafitstruktur, d V s kompakt grafitiskt gjutjärn i den yttre delen och "segjärn" i navpartiet. Dimensioner framgår av följande tabell.

Tabell I Fig. 2 Fig. 3 D 350 350 d 139 220 B 25 30 b 12 6 Vid gjutningen av svänghjulet kommer avkylningen av den tunna sektionen vid navet, ca 6 mm, vanligen att vara tillräcklig för att stelningshastigheten skall leda till bildning av mer än 50% nodulär grafit, när gjutning sker i konventionella sandformar. Givetvis beror avkylningen på hur gjutformen ut- formas. Skulle emellertid temperatursänkningen vara otill- fredsställande kan vid formframställningen inläggas kylkropp- ar nära navpartiet i sandformen för att snabbare uppta av- gående värme.

Ett annat exempel på användbarheten hos föreliggande upp- finning är gjutning av ett cylinderblock i en gjutoperation med inhomogen grafitistruktur.

Ett motorblock är ett exempel på en maskindel som utsätts för en lång rad olika påfrestningar. Sålunda är vanligen cylin- drarna placerade i den övre delen av cylinderblocket och ut- sättes för speciellt värmepåkänningar. Förbränningen sker i cylindrarna placerade i den övre delen av cylinderblocket och där erhålles mycket stora temperaturdifferenser. Dessutom är vanligen arbetstemperaturen relativt hög. Efter gjutningen bearbetas denna del av cylinderblocket väsentligen innan det 10 15 20 25 30 35 470 092 8 kan ingå i en färdig motor. Bearbetbarhet är sålunda en väsentlig egenskap i denna del av cylinderblocket. Vidare krävs god värmeledningsförmåga, dimensionsstabilitet och styvhet. Alla dessa krav fylles bäst av kompakt grafitiskt gjutjärn.

De undre delarna av cylinderblocket inrymmer vanligen vev- axel, motorinfästningsdetaljer och i dessa delar är kraven i första hand god bearbetbarhet, god dämpning i materialet och tillfredsställande styvhet. Även här är uppenbarligen kompakt grafitiskt gjutjärn det optimala materialet. Mellan de övre och undre delarna av ett cylinderblock finns ett parti med relativt tunna väggar vars viktigaste egenskap är god håll- fasthet och här kan lämpligen ett segjärn eller åtminstone gjutjärn med hög andel av nodulär grafit vara det föredragna valet. Segjärn som utsättes för hög värme, exempelvis p g a av sin dåliga värmeledningsförmåga, förlorar lätt sin dimen- sionsstabilitet och är svårberbetat. I mellanpartiet av cylinderblocket utsättes materialet ej för värmeinverkan i samma utsträckning som i de övre delarna samtidigt som kraven på hållfasthet är högre. Dessa partier bearbetas i regel icke. I dessa områden är en "segjärnsstruktur" därför opti- mal.

Ovanstâende resonemang visar att förfarandet enligt upp- finningen möjliggör framtagande av exempelvis motorblock med optimal struktur. I detta fall anordnas lämpligen kylning av de delar av det slutliga gjutstycket eller cylinderblocket som får optimal struktur med hög andel nodulär grafitutfäll- ning, eller gynnar nodul-bildning genom lokal tillförsel av kärnbildande ämnen.

Lokal tillförsel av kärnbildande ämnen kan ske genom att insidan av formen tillföres kärnbildande ämnen på de ställen där man önskar högre halt nodulärt stelnande. Detta kan ske genom att exempelvis en uppslamning av finkornig ferrokisel sprutas på nämnda partier av formens inneryta före gjutning- en. 10 15 20 '4270 092 9 Ovanstående exemplifiering av utföringsformen till svänghjul och cylinderlock avgränsar givetvis ej användbarheten av föreliggande uppfinning.

Sålunda kan uppenbarligen skivor till skrivbromsar och andra motordelar som cylinderblock och liknande framställas av gjutjärn med inhomogen grafitstruktur.

Fordonsteknik utgör ett huvudområde för användning av upp- finningen genom att här viktbesparingar får speciell be- tydelse. Man har räknat ut att enbart användning av kompakt grafitiskt gjutjärn i ett cylinderlock kan innebära vikt- minskning i jämförelse med grått gjutjärn utan minskning av motoreffekten i storleksordningen 30%.

Om en motor konstrueras för framställning i enlighet med föreliggande uppfinning kan ytterligare viktbesparingar göras.

Claims (5)

10 15 20 25 30 35 470 092 10 Patentkrav

1. Förfarande för framställning av i ett stycke gjutna gjut- järnsgjutstycken med inhomogen fördelning av grafitkristall- ernas morfologi i olika delar av det färdiga gjutstycket, k ä n n e t e c k n a t av att gjutsmältans sammansättning och fysikaliska egenskaper eller lokala kärnbildningspotens regleras så att smältan i beroende av stelningstiden och/el- ler den lokala kärnbildningspotensen stelnar med en större procentuell andel vermikulära grafitkristaller och en mot- svarande mindre andel nodulära grafitkristaller i de delar av gjutstycket där en vermikulär grafitstruktur är önskvärd och att i delar där en högre procentuella del nodulära grafit- kristaller är önskvärda tillses att värme snabbare trans- porteras från gjutstycket under stelningen, genom att an- tingen nämnda delar av gjutstycket utformas med tunna sek- tioner eller att värmeupptagande element anordnas i gjut- formen på sådant sätt att temperaturen i gjutformen i nämnda delar kan sänkas under tillräckligt kort tidsrymd för att uppnå den önskade nodularitetsgraden.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att smältans halt av modifieringsmedel justeras så att halten är ekvivalent med en halt av 0,010-0,025 aktivt, löst magnesium eller motsvarande mängd av annat modifieringsmedel.

3. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att formen på det gjutna föremålet är så utformad att där en övervägande nodular grafitstruktur önskas kylhastigheten i området 1150-1 00O°C är åtminstone 5 Ks_l eller mera och där en vermikulär grafit struktur önskas 5 l Ks'l.

4. Förfarande för framställning av ett svänghjul för kopp- lingen i en bromsskiva för skivbromsar i en personbil, last- bil, buss eller järnvägsvagn, k ä n n e t e c k n a t av att förhållandet mellan tjockleken i friktionsdelarna och navet är mer än 3, företrädesvis

5. ll 470 092 S. Svänghjul framställt i enlighet med förfarandet i krav 1-4, k ä n n e t e c k n a t av att det gjuts i sandform med en smälta innehållande 0,010-0,025 aktivt löst magnesium eller ekvivalenta mängder av andra modifieringsmedel och med en godstjocklek i svänghjulets navdelar av mellan 4 och 8 mm samt med en tjocklek av 25-35 mm i yttre delar med kcntakt- ytor för kopplingslameller.