SE504136C2 - Förfarande för framställning av gjutgods som är gjutna i ett enda stycke där vissa delar innehåller kompaktgrafitjärn och andra grått gjutjärn - Google Patents

Description

20 25 30 35 504 136 2 till denna småskaliga tillverkning är att det inte har varit möjligt att kontrollera egenskaperna och sammansättningarna hos järnsmältorna med tillräcklig noggrannhet för att garan- tera sammansättningen och grafitstrukturen hos gjutgodset med tillräcklig reproducerbarhet.

Egenskaperna hos kompaktgrafitjärn ligger någonstans mitt- emellan egenskaperna hos gråjärn och segjärn. Exempelvis är elasticitetsmodulen för kompaktgrafitjärn från 30-40% högre än elasticitetsmodulen för gråjärn, vilket betyder att elas- ticitetsmodulen för kompaktgrafitjärn är nästan densamma som den hos segjärn. Kompaktgrafitjärn har en formbarhet som är större än den hos gråjärn, ofta mer än tio gånger högre än hos gråjärn, och har en mycket större drag- och brotthåll- fasthet, i storleksordningen dubbelt så hög som brotthåll- fastheten hos gråjärn. Utmattningshållfastheten hos kompakt- grafitjärn är 100% högre än den hos gråjärn, och väsentligen densamma som för segjärn. Värmeledningsförmågan hos kompakt- grafitjärn ligger i samma storleksordning som den hos grå- järn, och 30-50% högre än den hos segjärn. Bearbetbarheten och gjutbarheten hos kompaktgrafitjärn liknar också den hos gråjärn.

Det inses därför att det finns goda skäl för att använda kompaktgrafitjärn i maskinkonstruktioner där krav på hög styrka kombineras med krav på god gjutbarhet, bearbetbarhet och hög värmeledningsförmåga. På grund av de svårigheter som funnits i samband med framställningen av kompaktgrafitjärn på ett reproducerbart sätt, har det inte tidigare varit möjligt att framställa gjutgods av denna typ av gjutjärn.

Emellertid är det möjligt att bestämma koncentrationen av kärnbildare och modifieringsmedel i en smälta, genom att analysera temperaturdata som funktion av tiden med hjälp av temperaturgivare under stelning av små prover som tagits från smältan i fråga. Detta gör det möjligt att exakt bestämma på vilket sätt smältan kommer att stelna i en gjutform, och gör det också möjligt att korrigera halten kärnbildningsmedel och modifieringsmedel på ett sådant sätt att gjutgodset får de 10 15 20 25 30 504 136 3 önskade egenskaperna. Se SE-B-469 712, SE-B-444 817 eller US- A-4 667 725 i detta avseende. Enligt dessa publikationer mäts de tidigare nämnda värdena med hjälp av två temperaturgivare som placerats i ett provbad i vilket smältan väsentligen är i termodynamisk jämvikt med temperaturen hos provkärlet vid inledningen av stelningsprocessen.

En av dessa temperaturgivare är placerad i mitten av smältan i provkärlet medan den andra sensorn är placerad i smältan i närheten av kärlets vägg. Under stelningsförfarandet regist- reras värden rörande smältans underkylning vid kärlväggen (T*w), recalescensen vid kärlväggen (recw), den positiva differensen mellan temperaturen vid kärlväggen och vid kär- lets centrum, (AT+), och derivatan av temperaturen med av- seende på tiden vid kärlväggen och vid kärlets centrum (dT/df)w, vid konstanta ekvivalenta tillväxttemperaturer (dT/d1)c = O, med hjälp av vilka värden, tillsammans med kända referensvärden vid analoga provförhållanden, närvaron av och mängden kristallkärnbildare och mängden strukturmo- difierande medel kan bestämmas och korrigeras genom till- satser till smältan eller genom att införa uppehållstider så att mängden närvarande kristallkärnbildare och strukturmo- difierande ämnen motsvarar de mängder som erfordras för att erhålla den önskade grafitstrukturen i gjutgodset.

De strukturmodifierande tillsatserna utgörs normalt av magne- sium, eventuellt tillsammans med sällsynta jordartsmetaller, i synnerhet cerium eller mischmetall.

När mängden löst magnesium, och med detta ekvivalenta mängder av andra strukturmodifierande medel, dvs mängden av sådana element som förekommer i lösning förutom de som separerats som oxider och sulfider av dessa i fast form, uppnår ungefär 0,035% eller mer, grafit att falla ut i nodulär form när smältan stelnar. Om den tidigare nämnda halten faller till omkring 0,015% kommer grafiten att falla ut som kompaktgra- fit, medan när nämnda halt faller ytterligare under omkring 0,008% kommer grafiten att falla ut som fjällig grafit och U1 10 15 20 25 30 35 504 136 4 gjutjärnet kommer att stelna som grått gjutjärn. Av det fram- går tydligt att i huvudsak kompaktgrafitjärn bildas mellan värden på omkring 0,010 och 0,020%.

I en del tillämpningar är det fördelaktigt att använda ett gjutjärnsgods som innehåller en inhomogen grafitstruktur. WO- A-93/20969 avslöjer ett förfarande för framställning av gjutjärnsgods, där några delar av godset innehåller en kom- paktgrafitstruktur och andra delar av nämnda gods har en nodulär grafitstruktur.

Det borde även vara fördelaktigt att använda fjälligt grått gjutjärn i en del områden som erfordrar högsta möjliga värme- ledningsförmåga tillsammans med en relativt låg elasticitets- modul av användningsskäl och eventuellt även utmärkta gjut- nings- och bearbetningsegenskaper av produktionsskäl, och kompaktgrafitjärn i andra områden som kräver högre styrka och styvhet av användningsskäl.

Liknande försök att framställa motorblock med inhomogen grafitstruktur har tidigare föreslagits. JP-A-6/106 331 hänför sig till ett förfarande för framställning av mo- torblock i segjärn för förbättrad styrka och styvhet och, genom att lägga en reaktiv beläggning på sandkärnorna som formar cylinderväggarna minskas aktivt magnesium i smältan nära väggen, vilket ger förlängda grafitfjäll och således, god värmedledningsförmåga och bearbetbarhet i cylinderväggar- 113.

Emellertid kan den reaktiva beläggningen som appliceras på ytan av cylinderkärnorna enbart reducera mängden magnesium till en viss nivå. Därför är det svårt att erhålla ett repro- ducerbart resultat när magnesiumhalten i det järn som skall hällas i gjutformarna är konstant. Variationer i magnesiumin- nehållet, vilka är vanliga, uppträder direkt som variationer i grafitstrukturen i cylinderväggarna.

Genom att börja med segjärn, vilket är nödvändigt med tekni- ken enligt JP-A-6/106 331 beroende på avsaknaden av passande 10 15 20 25 30 35 504 156 5 processkontroll, begränsar den relativt låga gjutbarheten hos segjärn förmågan att framgångsrikt framställa komplexa, tunnväggiga gjutgods såsom motorblock och cylinderhuvuden vilka konstruerats med känd teknik.

Den inledande extrabehandlingen med magnesium resulterar också i minskad förmåga att framställa tjocka skikt av fjäl- lig grafit nära de reaktiva kärnytorna. Järnets magnesiumhalt förändras från bulkkoncentrationsvärdet till ett väsentligen lägre värde nära väggen vilket möjliggör fjällbildning. På grund av det överskott av magnesium som erfordras för att framställa nodulär grafit, och den sammanslagna effekten av magnesiumvariationer som påträffas i det dagligen behandlade järnet kan emellertid fjällskiktets tjocklek vara ganska litet. Det är särskilt viktigt när man inser att upp till 3 mm av ytjärnet kan avlägsnas vid bearbetning och således kan mycket av den fjälliga grafiten förloras.

Dessutom är det inte klargjort att de dramatiska skillnaderna i mekaniska och fysikaliska egenskaper mellan gråjärn och nodulärt järn är välgörande för långtidsegenskaperna hos ett gjutgods. De stora skillnaderna i styrka, styvhet, smidbarhet och värmeledningsförmåga kan ge upphov till extra stora inre spännings- och töjningsgradienter, vilka slutligen kan resul- tera i flera negativa än positiva effekter.

US-A-5 316 068 utgår också från ett segjärn, men sättet att förändra grafiten är inte genom användning av reaktiva gjut- formskärnor, utan höghastighetscentrifugering av gjutformarna vid stelningen för att gynna bildning av gråjärn i de yttre regionerna och kompaktgrafitjärn i de centrala cylinderom- rådena. Denna teknik verkar inte bara vara fysiskt besvärlig, utan den besitter även samma problem som beskrevs i diskus- sionen rörande JP-A-6/106 331, vilken utgår från segjärn.

DE-A-43 08 614 hänför sig till ett förfarande för framställ- ning ett gjutjärnsgods där delar av godset innehåller fjäl- ligt gråjärn och andra områden innehåller kompaktgrafitjärn.

Delar av gjutformen är täckta av syre- eller svavelavgivande 10 15 20 25 30 35 504 136 6 substansen för minska halten aktivt magnesium i den del av smältan som ligger intill den täckta gjutformsväggen.

Emellertid avslöjar inte DE-A-43 08 614 någonting om hur smältans sammansättning kontrolleras för att göra gjutför- farandet reproducerbart. Det har redan nämnts i denna ansökan att det är svårt att gjuta kompaktgrafitjärn på ett reprodu- cerbart sätt, och det måste anses vara extremt svårt att använda förfarandet enligt DE-A-43 08 614 för att reproducer- bart gjuta en inhomogen grafitstruktur utan att ha möjlighet att kontrollera smältans sammansättning. Vidare är det, i samband med användningen av nämnda förfarande, vanligt att utnyttja ett överskott av magnesium eller liknande metaller.

Således har det hittills inte varit möjligt att gjuta en inhomogen grafitstruktur bestående av delar innehållande fjälligt gråjärn och delar innehållande kompaktgrafitjärn.

Sammandrag av ugpfinningen De ovannämnda problemen, vilka har samband med framställ- ningen av gjutjärnsgods i ett stycke med en inhomogen för- delning av grafitkristallerna i kompaktform och fjällig form i olika delar av det slutliga gjutgodset, löses genom ett förfarande enligt vilket I) smält gjutjärn med en inneboende förmåga att stelna som kompaktgrafitjärn, beroende på en kontrollerat hög koncentra- tion av aktivt Mg och/eller några andra komponenter med liknande effekt på samma förmåga, framställs; II) nämnda smälta gjutjärn hälls i gjutformar, där nämnda gjutformar innehåller åtminstone en del där gjutformsväggarna och/eller gjutformskärnorna täckts med reaktivt material som diffunderar eller tränger in i det smälta gjutjärnet och därigenom sänker koncentrationen av aktivt Mg och/cller nämnda komponenter, så att det smälta gjutjärnet i nämnda del stelnar som gråjärn, medan det smälta gjutjärnet i andra delar av gjutformarna stelnar som kompaktgrafitjärn, 10 15 20 25 30 35 504 136 kännetecknat av att den inneboende förmågan hos det smälta gjutjärnet att stelna som kompaktgrafitjärn kontrolleras och korrigeras med hjälp av ett förfarande bestående av stegen att - ta ett prov från det smälta gjutjärnet i ett provkärl som är utrustat med två temperaturkänsliga givare, varav en är placerad i kärlets mitt och den andra i närheten av kärl- väggen, där innerväggen av kärlet består av ett material som innehåller eller är täckt med ett skikt av en substans som sänker koncentrationen av aktivt Mg eller motsvarande procentsats av nämnda komponenter i provmängden, i närheten av väggen och i närheten av den temperaturkänsliga givare som placerats i närheten av nämnda vägg, på ett sätt och i en utsträckning som simulerar sänkningen av koncentrationen av aktivt Mg och/eller nämnda komponenter med hjälp av nämnda reaktiva material i det smälta gjutjärn som hällts i gjutformarna i steg II), - låta kärlet väsentligen nå termisk jämvikt med provmängden, - registrera de temperaturer som mäts av de två temperatur- känsliga givarna, - bedöma egenskaperna hos det smälta gjutjärnet med hjälp av den registrerade kurvan på ett i sig känt sätt, och regist- rera sådana avvikelser som antyder utfällning av fjällgra- fitkristaller omkring den temperaturkänsliga givaren i när- heten av kärlväggen; och - korrigera innehållet av aktivt Mg och/eller innehållet av nämnda andra komponenter i det smälta gjutjärnet med hjälp av avvikelserna hos temperatur/tidskurvan och utrustnings- parametrarna på ett sådant-sätt att denna koncentration är tillräcklig för att, i samband med stelningen av det smälta gjutjärnet, bilda kompaktgrafitkristaller i smält gjutjärn som väsentligen är opåverkat av nämnda reaktiva material, och tillräckligt lågt för att tillåta bildning av fjällgra- lO 15 20 25 30 35 504 156 8 fitkristaller i smält gjutjärnet som påverkas av nämnda reaktiva material.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas mer i detalj med hän- visning till exemplifierande utföringsformer av den och vidare med hänvisning till de medföljande figurerna, i vilka Figur 1 illustrerar ett diagram som visar procentsatsen nodularitet som en funktion av procentsatsen magnesium. I detta diagram motsvarar 0% nodularitet ett gjutjärn som endast innehåller kompakt grafit, medan 100% motsvarar ett fullständigt nodulärt järn, dvs ett segjärn. Slutligen hänför sig värden under 0% nodularitet till grått gjutjärn. I själva verket motsvarar 0% nodularitet 100% kompaktgrafitjärn och det nedersta värdet på denna axel motsvarar 100% fjälligt grått gjutjärn; Figur 2 illustrerar kärndelen av ett inhomogent cylinderhuvud innehållande kompaktgrafitjärn och fjälligt gråjärn, och visar grafitstrukturer och den allmänna utformningen; och Figur 3 A-B är mikrografier som visar övergången från fjäl- ligt gråjärn till kompaktgrafitjärn. Förstoringen är 100 gånger.

Enligt denna uppfinning är det möjligt att på ett tillförlit- ligt sätt reproducera ett kompaktgrafitjärn med optimal stelningspotential så att enskilda gjutningar genomgående kan utföras med en föredragen blandning av kompaktgrafitpartiklar och grafit av den fjälliga typen. Genom att börja med kom- paktgrafitjärn som bas ökas den tjocklek av fjälligt gråjärn som kan produceras av en given reaktiv beläggning, och samti- digt minskas de interna brott- och spänningsgradienterna eftersom de mekaniska och fysikaliska egenskaperna hos grå- järn och kompaktgrafitjärn är mer lika än de hos gråjärn och segjärn. Gjutbarheten och formbarheten hos de färdiga kompo- nenterna blir också markant bättre.

L". 20 25 30 35 504 136 9 Vidare möjliggör förfarandet enligt SE-B-469 712 en exakt bestämning av närheten mellan det behandlade järnet och den snabba övergången mellan kompaktgrafit och fjällig grafit.

Genom att strategiskt ändra avståndet mellan termoelementets mätpunkt och den reaktiva väggbeläggningen i provet eller genom att förändra reaktiviteten hos den beläggning som placerats på kärlets innervägg är det möjligt att noggrant producera ett kompaktgrafitjärn som bas, vilket ligger ganska nära den vänstra änden av den stabila vermikulära platån (punkt A i figur 1) och som därför har benägenhet att ge upp- hov till väsentliga mängder fjälligt gråjärn när det hälls i gjutformar innehållande gjutformskärnor och gjutformssand som är belagda med reaktiva beläggningar. Till skillnad mot detta erfordrar ett vermikulärt grundjärn med startpunkt i regionen omkring punkt B i figur 1 mer reduktion av magnesium och kommer således inte att ge upphov till ett så omfattande grafitnätverk. På detta sätt, genom att direkt välja och reproducera den lämpliga startpunkten för det behandlade flytande järnet kommer den överlägsna graden av kontroll över den mikrostruktur som gjuts att säkerställa ett optimalt och jämnt skick av fjällig grafit, och en produkt som hittills inte har kunnat framställas.

Följande exempel hänför sig till ett cylinderhuvud, men förfarandet enligt uppfinningen kan även användas i samband med gjutning av motorblock, där, exempelvis, cylinderloppet och kylvattenkärnorna kan innehålla grått järn, medan huvud- delen av cylinderhuvudet, övre ytan, spårförsedda områden och vevhus innehåller kompaktgrafitjärn med högre styrka, eller bromsskivor, där exempelvis den yttre flänsen innehåller lamelljärn med hög värmeledningsförmåga och där innernavet innehåller kompaktgrafitjärn för att ge högre styrka.

Exempel Den maximala termiskt framkallade spänning som kan utvecklas på den varma ytan av ett cynlinderhuvud kan representeras av sambandet: 10 15 20 25 30 35 504 136 10 flmax= Allwïa (1) 2(1-ß) där anmx= maximal termiskt framkallad spänning (MPa) AT = temperaturgradient från den varma sidan av ett cy- linderhuvud till kylvattenkanalen ('C) Eo = elasticitetsmodulen (MPa) a = termisk expansion ('C4) u = Poissons tal (dimensionslöst) Nu är det välkänt att värmeutvidgningen och Poissons tal för kompaktgrafitjärn och gråjärn väsentligen är lika. Därför är det enda sättet att minimera de termiska spänningar som ackumuleras vid den varma ytan och som slutligen leder till sprickbildningar mellan ventilportarna, att minimera paramet- rarna AT och Eo, där AT har inverst samband med den termiska ledningsförmågan. Lösningen är följaktligen användning av ett material med hög värmeledningsförmåga och låg elasticitetsmo- dul vid den varma ytan vilket enbart kan åstadkommas med gråjärn. Samtidigt är det föredraget att huvuddelen av cylin- derhuvudet och de yttre perifera regionerna är framställda av ett material med högre styrka, styvhet och formbarhet. Detta mål kan uppfyllas av ett högkvalitativt (<10% nodularitet) kompaktgrafitjärn vilket även resulterar i lägre interna spänningar än en jämförbar blandning av gråjärn och segjärn, och, beroende på den kontrollerade närhetsgraden av järnets stelningsuppträdande i förhållande till övergångspunkten mellan kompaktgrafitjärn och gråjärn (punkt A i figur 1), är det möjligt att framställa ett mer omfattande fjällgrafit- nätverk än som skulle kunna åstadkommas om startpunkten för stelningen var vid "B" i figur 1, eller ännu värre, om start- punkten för basgjutjärnet var segjärn (punkt C i figur 1).

Minskningen av aktivt magnesiuminnehåll och den resulterande tillväxten av fjäll snarare än kompakta grafitpartiklar uppnås genom att applicera ett stort antal normala gjuteribe- läggningar till ytorna hos vilka gjuteriformar eller -kärnor 10 15 20 25 30 35 504 136 11 som helst där grafitfjäll är önskvärda. Vad gäller cylinder- huvudet (figur 2) kan reaktiva beläggningar appliceras på den gjutformsyta som vetter mot den varma sidan av cylinderhuvu- det och den lägre halvan av den kärna som vetter mot vatten- kanalen. Beläggningarna innehåller en kontrollerad mängd sulfider och/eller oxider som kemiskt reagerar med aktivt magnesium för att bilda MgS och/eller MgO. De nödvändiga kvantiteterna beläggning kan iterativt definieras för varje gjutningstillämpning beroende på önskad fjälltjocklek, och är närliggande för fackmannen.

Denna uppfinning är särskilt användbar i nuvarande typ av ut- formning av cylinderhuvuden där det inte är möjligt att om- konstruera huvudet eftersom det fortsättningsvis måste passa en existerande motor. Nyligen, i samband med upptrimning och turboöverladdningskrav på bensin- och i synnerhet dieselmoto- rer, har många konstruktioner potential för att övergå till ett starkare material, och kompaktgrafitjärn är idealiskt för detta. Om emellertid huvudet har en benägenhet att gå sönder beroende på termisk laddning, kommer den lägre värmelednings- förmågan och högre elasticitetsmodulen hos kompaktgrafitjärn jämfört med gråjärn i själva verket att öka den termiska laddningen och kan resultera i en kortare livslängd. För ett cylinderhuvud av kompaktgrafitjärn är den enda möjliga vägen att minska termen AT i ekvation (1) att minska tjockleken hos flamytan. Emellertid skulle detta göra cylinderhuvudet okom- patibelt med den nuvarande typen av motorkonstruktion. Denna uppfinning är en idealisk lösning för dessa fall eftersom införandet av gråjärnsfjäll i flamytan ger den nödvändiga termiska ledningsförmågan och lägre elasticitetsmodulen för att klara den termiska laddningen, medan kompaktgrafitjärnet ger den nödvändiga styrkan, styvheten och smidigheten för att klara det mekaniska slitaget utan att göra avkall på bearbet- barhet eller gjutbarhet.

Claims (2)

lO 15 20 25 30 35 504 136 12 Patentkrav

1. Förfarande för framställning av gjutjärnsgods i ett enda stycke med en inhomogen fördelning av grafitkristallerna i kompakt och fjällig form i olika delar av det färdiga gjut- godset, där I) smält gjutjärn med en inneboende förmåga att stelna som kompaktgrafitjärn, beroende på en kontrollerat hög koncentra- tion av aktivt Mg och/eller några andra komponenter med liknande effekt på samma förmåga, framställs; II) nämnda smälta gjutjärn hälls i gjutformar, där nämnda gjutformar innehåller åtminstone en del där gjutformsväggarna och/eller gjutformskärnorna täckts med reaktivt material som diffunderar eller tränger in i det smälta gjutjärnet och därigenom sänker koncentrationen av aktivt Mg och/eller nämnda komponenter, så att det smälta gjutjärnet i nämnda del stelnar som gråjärn, medan det smälta gjutjärnet i andra delar av gjutformarna stelnar som kompaktgrafitjärn, kännetecknat av att den inneboende förmågan hos det smälta gjutjärnet att stelna som kompaktgrafitjärn kontrolleras och korrigeras med hjälp av ett förfarande bestående av stegen att - ta ett prov från det smälta gjutjärnet i ett provkärl som är utrustat med två temperaturkänsliga givare, varav en är placerad i kärlets mitt och den andra i närheten av kärl- väggen, där innerväggen av kärlet består av ett material som innehåller eller är täckt med ett skikt av en substans som sänker koncentrationen av aktivt Mg eller motsvarande procentsats av nämnda komponenter i provmängden, i närheten av väggen och i närheten av den temperaturkänsliga givare som placerats i närheten av nämnda vägg, på ett sätt och i en utsträckning som simulerar sänkningen av koncentrationen av aktivt Mg och/eller nämnda komponenter med hjälp av 10 15 20 25 30 504 136 13 nämnda reaktiva material i det smälta gjutjärn som hällts i gjutformarna i steg II), - låta kärlet väsentligen nå termisk jämvikt med provmängden, - registrera de temperaturer som mäts av de två temperatur- känsliga givarna, - bedöma egenskaperna hos det smälta gjutjärnet med hjälp av den registrerade kurvan på ett i sig känt sätt, och regist- rera sådana avvikelser som antyder utfällning av fjällgra- fitkristaller omkring den temperaturkänsliga givaren i när- heten av kärlväggen; och - korrigera innehållet av aktivt Mg och/eller innehållet av nämnda andra komponenter i det smälta gjutjärnet med hjälp av avvikelserna hos temperatur/tidskurvan och utrustnings- parametrarna på ett sådant sätt att denna koncentration är tillräcklig för att, i samband med stelningen av det smälta gjutjärnet, bilda kompaktgrafitkristaller i smält gjutjärn som väsentligen är opåverkat av nämnda reaktiva material, och tillräckligt lågt för att tillåta bildning av fjällgra- fitkristaller i smält gjutjärnet som påverkas av nämnda reaktiva material.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att provkärlets vägg består av ett material som innehåller eller är täckt med ett skikt av en substans som sänker koncentrationen av aktivt Mg med 0,002-0,010 viktprocent, eller motsvarande procentsats av nämnda komponenter, i provmängden.