SE1150286A1 - Gjutjärnslegering samt därav tillverkad avgasledande komponent - Google Patents

Abstract

Uppfinningen avser en gjutjärnslegering innefattande (i vikts%):. resterande mängd utgörs av Fe samt eventuella föroreningar.Uppfinningen avser även en avgasledande komponent för lastbilsmotorer som innefattar den uppfinningsenliga legeringen.

Description

10 15 20 25 30 Ett problem med de kända segjärnstyperna är att de inte uppvisar tillräckligt korrosionsmotständ vid höga avgastemperaturer och därför inte är lämpliga för användning i motorer med ökat kraftuttag per motorvolymsenhet.

Det är således ett syfte för föreliggande uppfinning att ange en gjutjärnslegering som är korrosionsbeständig vid höga avgastemperaturer och som kan användas i avgasledande komponenter. Ett ytterligare syfte för föreliggande uppfinning är att legeringen skall vara kostnadseffektiv.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Detta syfte uppnås enligt uppfinningen av en gjutjärnslegering innefattande (i vikts%): C: 3,0 - 3,5 Si: 4,1 - 4,8 Mn: 5 0,4 Mg: 0,02 - 0,08 Cr: 0,6 - 1,0 Cu: 5 0,15 Mo: 0,8 - 1,2 P: < 0,05 S: < 0,015 varvid resterande mängd utgörs av Fe samt eventuella föroreningar.

Genom tillsatsen av krom tillsammans med övriga noggrant avvägda halter av legeringsämnen erhålles en gjutjärnslegering av segjärnstyp med högt korrosionsmotständ samt god varmhällfasthet.

Pä ytan av en komponent som tillverkats av den uppfinningsenliga legeringen bildas vid exponering för syre, i t ex luften, ett tätt skikt av kromoxid. Skiktet av kromoxid, tillsammans med ytterligare oxidskikt på komponentens yta som t ex kiseloxider och järnoxider, skyddar sedan effektivt komponenten frän 10 15 20 25 30 korrosion genom att syre och andra oxiderande ämnen såsom vattenånga och kolmonoxid förhindras från att nå komponentens yta.

Försök har visa att bildandet av det skyddande kromoxidskiktet gynnas av höga temperaturer. Denna egenskap gör den uppfinningsenliga Iegeringen mycket användbar i motorer med ökat kraftuttag per volymenhet i vilka avgastemperaturen kan uppgå till 800°C. Vid denna temperatur bildas det skyddande kromoxidskiktet mycket snabbt och skyddar därför effektivt den underliggande komponenten mot korrosion.

Om Iegeringen används i avgasledande komponenter i konventionella ca 730°C, komponenternas livslängd ökar i jämförelse med komponenter som består av tex SiMo51. motorer, där temperaturen kan uppgå till uppnås att Enligt ett alternativ är kolhalten 3,0 - 3,3 vikts%.

Enligt ett alternativ är kiselhalten 4,2 - 4,4 vikts% Enligt ett alternativ är kromhalten 0,60 - 0,75 vikts%.

Enligt ett alternativ är molybdenhalten 0,8 - 1,0 vikts%. främst avgasledande komponenter i dieselmotorer för tunga fordon, t ex lastbilar.

Den uppfinningsenliga gjutjärnslegeringen är avsedd för Sådana komponenter, även benämnda avgasuppsamlande komponenter, innefattar t ex avgasgrenrör, turbogrenrör och turbinhus för en turbo.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN En gjuten avgasledande komponent, t ex ett turbogrenrör som tillverkats av den uppfinningsenliga gjutjärnslegeringen av segjärnstyp har en struktur som huvudsakligen består av sfärisk grafit i en grundmatris av ferrit. 10 15 20 25 30 I den uppfinningsenliga gjutjärnslegeringen ingår följande Iegeringsämnen: kol (c) Kol ökar smältans flytbarhet vilket är gjutjärnslegeringen eftersom smältans flytbarhet påverkar hur fullständigt viktigt vid gjutning av gjutformen fylls. Vid ett bestämt stelningsförlopp påverkar vidare mängden tillsatt grafitnodulerna som skiljs ut i legeringens grundmassa. En stor mängd kol tillsammans med ympmedel antalet och storleken på noduler motverkar bildandet av karbider och gynnar bildandet av grafit i grundmassan, vilket i sin tur reducerar gjutjärnslegeringens sprödhet.

Eftersom grafitnodulernas densitet är lägre än järnets kommer dessutom, vid stelning av gjutjärnslegeringen, bildandet av grafitnoduler att leda till expansion vilket motverkar stelningskrympningen.

För att gjutjärnslegeringen skall erhålla god flytbarhet och en gynnsam struktur efter stelnande krävs att kolhalten är minst 3,0 vikt%.

För hög kolhalt kan dock medföra primärutskiljning av grafit och därigenom flotation vilket leder till inhomogen struktur i gjutjärnet och därmed försämrade egenskaper. Kolhalten i den uppfinningsenliga gjutjärnslegeringen skall därför högst uppgå till 3,5 vikts%.

Den uppfinningsensliga gjutjärnslegeringen har hög halt av kisel vilket minskar kolets löslighet i smältan. För att undvika därav orsakad primärutskiljning av grafit skall kolhalten företrädesvis vara i intervallet 3,0 - 3,3 vikts%.

Kisel (Si) Kisel främjar bildandet av grafit och stabiliserar ferrit. I helt ferritiska järn ger en hög kiselhalt en lösningshärdning av ferriten och ökar därigenom järnets hållfasthet och dess motstånd mot termisk cykling. Kisel ökar även 10 15 20 25 30 oxidationsmotståndet vid höga temperaturer genom att ett tunt och tätt oxidskikt bildas på legeringens yta och försvårar ytterligare oxidation. kiselhalt. Vidare omvandlingstemperaturen (A1), d v s den temperatur där ferrit övergår till Oxidationsmotståndet ökar med ökande höjs austenit, med ökande kiselhalt. Vid denna temperatur sker relativt stora volymförändring i materialet. Detta orsakar lokala spänningar och töjningar, som i värsta fall kan leda till sprickor och haveri av komponenterna.

Omvandlingstemperaturen (A1) brukar därför normalt anges som den högsta användningstemperaturen för ferritiska gjutjärn.

Vid gjutning av tunt till mellantjockt gods, typiskt upp till 10 mm väggtjocklek, skall kiselhalten ligga mellan 4,1 - 4,8 vikts%.

Vid höga kiselhalter kan det bildas spröda intermetalliska faser som reducerar duktiliteten i materialet. Höga kiselhalter kan även störa bildandet av grafitnoduler i gjutjärn. Då segringar i materialet ökar med ökad stelningstid, tenderar både bildandet av intermetalliska faser och den urartade störda grafitformen att vara mer utpräglad i tjockväggigt gods, d v s med väggtjocklek över 10 mm.

För att säkerställa hög användningstemperatur, gott oxidationsmotstånd och tillfredsställande duktilitet vid gjutning av tjockväggigt gods, skall kiselhalten ligga mellan 4,2 - 4,4 vikts%.

Magnesium (Mg) Tillsatsen av magnesium gör att kolet i smältan bildar sfäriska grafitnoduler vid stelningen. För att erhålla en struktur av sfäriska grafitnoduler i gjutjärnslegeringen skall magnesiumhalten ligga mellan 0,02 - 0,08 vikts%.

Molybden (Mo) Molybden tillsätts för att öka gjutjärnslegeringens mekaniska egenskaper, d v s brottgräns, sträckgräns och krypmotstånd, vid användning vid höga 10 15 20 25 30 temperaturer. För att vid höga temperaturer erhålla maximal hållfasthet skall molybdenhalten vara minst 0,8 vikts%. En alltför hög tillsats av molybden kan dock medföra bildande av ett kontinuerligt nätverk av intercellulära karbider, vilket medför en kraftig reduktion av duktiliteten. Molybdenhalten i den uppfinningsenliga gjutjärnslegeringen skall därför inte överstiga 1,20 vikts%.

På grund av de större segringarna som uppstår vid gjutning av tjockväggigt gods d v s >10 mm skall molybdenhalten företrädesvis hållas mellan 0,8 vikts% och 1,0 vikts% för att säkerställa maximal hållfasthet och god duktilitet i tjockväggigt gods.

Mangan (Mn) Mangan stabiliserar austenit och perlit och är ett vanligt förekommande ämne i det skrot som används vid tillverkning av gjutjärnslegeringen. Vid höga temperaturer bryts den perlitiska fasen ned till ferrit och grafit. Den utskiljda grafiten kommer då att orsaka en expansion av materialet viket kan förorsaka deformation och sprickor i materialet, samt att det korrosionsskyddande oxidskiktet spricker. För att minimera perlitbildning i komponenter som tillverkats av den uppfinningsenliga legeringen skall manganhalten hållas så låg som möjligt och som högst uppgå till 0,4 vikts%.

Krom (Cr) Krom ökar gjutjärnslegeringens oxidationsmotstånd vid höga temperaturer genom att bilda ett tätt och skyddande oxidskikt på ytan av en komponent som är tillverkad av den uppfinningsenliga gjutjärnslegeringen. Oxidskiktet förhindrar effektivt syre från att tränga ned till komponentens yta och förorsaka ytterligare oxidation. Det är viktigt att den uppfinningsenliga legeringen innehåller tillräckligt mycket krom för att det skyddande oxidskiktet skall kunna bildas och innehållet av krom bör därför som lägst vara 0,6 vikts%.

Krom är även karbidstabiliserande och alltför höga mängder krom höjer därför sprödheten i materialet till följd av att kromkarbider bildas. För att 10 15 20 25 30 säkerställa god duktilitet och undvika sprickor i den uppfinningsenliga legeringen skall kromhalten som högst vara 1,0 vikts%.

Karbidstabiliserande ämnen har en tendens att koncentreras i smältan tillföljd av segringar under stelning. Vid långa stelningstider som t ex vid tjockväggigt gods kan därför kontinuerliga nätverk av karbider bildas i intercellulära områden i den stelnade komponenten. För att undvika detta skall kromhalten företrädesvis hållas mellan 0,6 - 0,75 vikts% om den uppfinningsenliga legeringen används för tillverkning av tjockväggigt gods.

Koppar (Cu) Koppar är perlitstabiliserande och följer ofta med i det skrot som används för att tillverka gjutjärnslegeringen. Vid höga temperaturer bryts perlit ned till ferrit och grafit. Den utskiljda grafiten orsakar en expansion av materialet viket kan förorsaka deformation och sprickor samt att korrosionsskyddande oxidskikt spricker. För att undvika perlitbildning i komponenter som tillverkats av den uppfinningsenliga gjutjärnslegeringen skall kopparhalten hållas så låg som möjligt och som högst 0,15 vikts%.

Fosfor (P) Fosfor är en förorening i gjutjärnslegeringen som kan orsaka sköra fosforinneslutningar vilka har negativ inverkan på materialets seghet och slagseghet. Fosfor skall därför begränsas till under 0,05 vikts%, företrädesvis under 0,025 vikt%.

Svavel (S) Svavel är en förorening i det gjutjärnslegeringen. Svavel missgynnar sfärodiseringen av grafiten vid stelning av gjutjärnslegeringen. Höga svavelhalter kan orsaka degenererad grafit, t ex att gjutjärnets grafitnoduler blir fjällformade till följd av att svavel binds till magnesium. Det är därför viktigt att svavelhalten hålls under 0,015 vikts%. 10 15 20 25 30 FIGURBESKRIVNING Figur 1: En tabell som visar sammansättningen av en uppfinningsenlig första (SiMoCr) sammansättningen av en jämförande gjutjärnslegering (SiMo51). gjutjärnslegering enligt en utföringsform och Figur 2: Ett diagram som visar resultatet från ett oxidationsförsök som utförts vid 700°C av en uppfinningsenlig gjutjärnslegering enligt den första utföringsformen samt en jämförande gjutjärnslegering av typen SiMo51.

Figur 3: Ett diagram som visar resultatet från ett oxidationsförsök som utförts vid 800°C av en uppfinningsenlig gjutjärnslegering enligt den första utföringsformen samt en jämförande gjutjärnslegering av typen SiMo51.

EXEMPEL Följande skall den uppfinningsenliga gjutjärnslegeringen beskrivas med hjälp av ett konkret exempel.

I ett första steg framställdes en uppfinningsenlig gjutjärnslegering som benämnes SiMoCr. I jämförande syfte framställdes även en gjutjärnslegering av typen SiMo51. Tabell 1 visar sammansättningarna av respektive Ur tabell 1 innehåller föroreningarna titan och niob. Dessutom förekommer nickel som en gjutjärnslegering SiMoCr och SiMo51. framgår att de uppfinningsenliga gjutjärnslegeringarna små mängder av förorening i den uppfinningsenliga gjutjärnslegeringen. Nickel kan följa med tillsatsen av krom, t ex i form av rostfritt stålskrot. Nickel skall dock helst inte ingå alls i den uppfinningsenliga gjutjärnslegeringen eftersom nickel sänker omvandlingstemperaturen för ferrit till austenit. När ett material omvandlas från ferrit till austenit expanderar det vilket leder till lokala spänningar och töjningar, som i värsta fall leder sprickor och haveri av komponenterna. Vid expansionen spricker även det oxidskikt som bildats på materialet varvid flagning uppstår. Detta försämrar oxidationsmotståndet. 10 15 20 25 30 Gjutjärnslegeringarna framställdes på konventionellt industriellt sätt med metoder som är anpassade för serieproduktion. Gjutjärnslegeringarna göts till solida ämnen och ur ämnena togs provbitar som hade storleken 2 x 2 x 0,5 (cm).

Provernas ytor slipades mekaniskt i vatten och rengjordes därefter i etanol följt av rengöring i avjoniserat vatten. Avslutande torkades proverna med luddfritt papper och vägdes.

För att bestämma respektive gjutjärnslegerings korrosionsbeständighet utsattes proverna sedan för oxidationsprovning i luft. Vid oxidationsprovning oxideras materialet vid en förutbestämd temperatur och under en förutbestämd tid. Materialets vikt bestäms före och efter oxideringen och viktökningen bestäms. Stor viktökning innebär att korrosionssmotståndet är dåligt eftersom en relativt stor del av provet har oxiderat. Vid liten viktökning har ett tunt och tät oxidskikt med god vidhäftning bildats pä provets yta. Detta oxidskikt skyddar sedan provet från ytterligare oxidation. Liten viktökning innebär alltså bra oxidationsmotstånd och därmed bra korrosionsbeständighet.

Oxidationsprovningen utfördes i luft i en Naber ugn (modell N60/HR) vid 700°C och 800°C. Exponeringstiderna för provbitarna sattes till 1,5; 6; 24 och 96 timmar. Vid oxidationsprovningen placerades ett flertal provbitar av vardera gjutjärnslegeringen i ugnen och värmdes upp från rumstemperatur till 700°C respektive 800°C varvid provbitarnas yta oxiderade till följd av reaktion med ugnsatmosfären. Exponeringstiden började räknas från det ögonblick ugnen nått upp till aktuell temperatur och allteftersom exponeringstiden uppgick till de förutbestämda tiderna togs en provbit ut ur ugnen och fick svalna till rumstemperatur. De oxiderade provbitarna vägdes på nytt och viktökningen per ytarea bestämdes som mg/cmz. 10 15 20 25 30 10 Resultaten från oxidationsproverna presenteras i form av medelvärden för tre provbitar och framgår ur diagrammen i figur 2 och 3.

Vid det oxidationstest som utfördes vid 700°C, se figur 2 framgår att vid exponeringstiderna 1,5; 6 och 24 timmar sker samma viktökning hos den uppfinningsenliga hos den gjutjärnslegeringen och jämförande gjutjärnslegeringen. Vid längre exponeringstider, 96 timmar, är dock viktökningen hos den uppfinningsenliga gjutjärnslegeringen väsentligt lägre än den jämförande gjutjärnslegeringen.

En sannolik förklaring till detta är: På proverna av den jämförande gjutjärnslegeringen SiMo51 bildas järnoxider och kiseloxider på provernas yta vid uppvärmning. Dessa oxider, främst kiseloxiden, skyddarjärnet i provernas yta från ytterligare oxidering. Vid lång exponering, alltså över 24 timmar, hinner dock syre att diffundera igenom skiktet av järnoxid och kiseloxid och korrodera den underliggande gjutjärnsytan. Oxidskiktet tillväxter därmed, vilket avspeglas i den uppmätta viktökningen.

I proverna av det uppfinningsenliga materialet bildas däremot, utöver skiktet av järnoxid och kiseloxid, efter en tid även ett tätt skikt av kromoxider. Skiktet av kromoxider förhindrar tillsammans med skiktet av järnoxid och kiseloxid effektivt diffusion av syre genom oxidskiktet ned till gjutjärnets yta och skyddar därför provet av den uppfinningsenliga gjutjärnslegeringen från korrosion genom ytterligare oxidation. Ur korrosionssynpunkt innebär detta att en avgasledande komponent, t ex ett turbogrenrör, som tillverkats av den uppfinningsenliga gjutjärnslegeringen och som används vid konventionella avgastemperaturer d v s upp till 730°C har en betydligt längre livslängd än en komponent som tillverkats av den jämförande gjutjärnslegeringen. 10 15 20 11 Vid det oxidationstest som utfördes vid 800°C, se figur 3 framgår att proverna av den uppfinningsenliga gjutjärnslegeringen ökar avsevärt mindre i vikt vid samtliga exponeringstider än den Viktökningen vid 800°C är viktökningen vid 700°C för motsvarande exponeringstider. En sannolik proverna av jämförande gjutjärnslegeringen. dessutom lägre än förklaring till detta är att bildandet av kromoxidskiktet på provernas yta gynnas vid den högre temperaturen 800°C, förmodligen tillföljd av att diffusionshastigheten av krom mot provets yta ökar med ökande temperatur.

Kromoxidskiktet bildas därför snabbare vid 800°C än vid 700°C och blir dessutom tätare. När ett skikt av kromoxid bildats förhindrar det fortsatt diffusion av syre till den metalliska yta varvid ytterligare tillväxt av oxidskiktet förhindras.

De prover av SiMo51 som utsattes för oxidationsprovning vid 800°C uppvisar en avsevärd viktökning bäde ijämförelse med det uppfinningsenliga materialet och ijämförelse med SiMo51 proverna vid 700°C. Som nämnts ovan gynnas diffusion av legeringselement och kemiska reaktioner vid metallytan av ökande temperatur. Detta påverkar det oxidskikt av kisel- och järnoxider som bildas på SiMo51 sä tillvida att det blir poröst och tjockt och därför inte skyddar den underliggande metallytan frän ytterligare korrosion i tillräckligt stor utsträckning.

Claims (8)

10 15 20 25 30 12 PATENTKRAV

1. Gjutjärnslegering innefattande (i vikts%): C: 3,0 - 3,5 Si: 4,1 -4,8 Mn: 50,4 Mg: 0,02 - 0,08 Cr: 0,6 -1,0 Cu: 50,15 Mo: 0,8 - 1,2 P: < 0,05 S: < 0,015 varvid resterande mängd utgörs av Fe samt eventuella föroreningar.

2. Gjutjärnslegeringen enligt krav 1, varvid gjutjärnslegeringen i stelnat tillstånd uppvisar en struktur av sfäriska grafitnoduler i en huvudsakligen ferritisk grundmassa.

3. Gjutjärnslegeringen enligt krav 1 eller 2, varvid halten C är 3,0 - 3,3vikts%.

4. Gjutjärnslegeringen enligt krav 1 till 3, varvid halten Si är 4,2 - 4,4 vikts%

5. Gjutjärnslegeringen enligt något av ovanstående krav, varvid halten Cr är 0,60 - 0,75 vikts%.

6. Gjutjärnslegeringen enligt något av ovanstående krav, varvid halten Mo halten är 0,8 - 1,0 vikts%.

7. Avgasledande komponent för lastbilsmotor innefattande en gjutjärnslegering enligt något av ovanstående krav. 13

8. Avgasledande komponent för lastbilsmotor enligt krav 7 varvid komponenten är ett turbogrenrör, ett avgasgrenrör eller ett turbinhus för en turbo.