SE520028C2 - Förfarande för framställning av kompaktgrafitjärnalster, detta alster, samt användning av kompaktgrafitjärnlegering - Google Patents

Description

25 (TI i* J É CD TO 2 barhet efterfrågats för att reducera kostnaden. Tom krävs CGI-legeringar med bättre bearbetbarhet, särskilt för höghastighetsborrning, innan CGI kan användas för se- rietillverkiiing i stor skala (2100 000 enheter per år).

Förutom de överlägsna materialegenskaperna, är CGI ungefär 20 % hårdare än grått gjutjärn med lika högt perlithalt. Kompaktgrafitjärn har även l-3 % töjning medan grått gjutjärn i stort sett saknar smidbarhet. Dessa faktorer bidrar till att förändra spânbildningen och verktygsslitagemekanismer vid bearbetning.

JP-A-8092854 beskriver ett vermikulärt grafitiskt gjutjärn, innefattande 3-4 % C, 3- 4,5 % Si, Mn under 0,3 %, P under 0,05 %, S under 0,03 % och Mg 0,005-0,030 % för användning vid tillverkning av avgasgrenrör. Ändamålet med kompositionen är att uppfylla driftkriteria för avgasgrenrör, nämligen förhöjd temperaturutmatnings- beständighet och oxideringsmotstånd. Ingenting sägs om bearbetbarhetsegenskaper- na hos denna komposition.

För närvarande finns inget tillgängligt förfarande för att åstadkomma önskad verk- tygslivslängd vid höghastighetscylinderloppsborrning av CGI. I ett försök att mini- mera hårdheten hos CGI och således förbättra bearbetbarheten hos CGI, har många inom forskningen undersökt en 70 % perlit/30 ferritmatris, då denna CGI- matriskomposition har approximativt samma hårdhet som konventionellt gråjäm.

Emellertid förbättras höghastighetsbearbetning inte nämnvärt relativt helt perlitisk CGI.

Konventionella CGl-legeringskompositioner för motorblockapplikationer innehåller 2,0-2,5 % kisel. Det är dock även känt med CGI-legeringskompositioner med hög kiselhalt. En sådan komposition beskrivs t ex i JP 58093854, vilken är avsedd att användas för avgasgrenrör för att förbättra utmattningsbeständigheten. 10 15 20 25 30 520 023 Sammanfattning av uppfinningen Problemet som ska lösas enligt uppfinningen är att åstadkomma ett förfarande för att framställa en CGI-artikel omfattande bearbetning, särskilt höghastighetscylinder- loppsbearbetning, där högre verktygslivslängd och bättre spånavlägsning erhålles i jämförelse med konventionella förfaranden för att framställa CGI-artiklar. Överraskande har det visat sig att CGl-legeringar med hög kiselhalt har förbättrat höghastighetsbearbetbarhet.

Vid kiselhalter mellan 2,8-4,0 % (vikt-%), kommer CGI att stelna med huvudsakli- gen ferritisk matris. Den högre kiselhalten underlättar grafitbildning, således utar- mande matrisen på fritt kol och förhindrande eutektiskt bildande av järnkarbid (Fe3C). Dessutom, i motsats till normala ferritiska järn som är relativt mjuka och svaga och tenderar att fastna vid skärverktyget och/eller rivs sönder vid bearbetning, resulterar den höga kiselhalten i en hård ferrit. Kiselhalten kan väljas för att åstad- komma samma hårdhetsintervall som för konventionellt gråjärn under det att man bibehåller en helt ferritisk matris. Alternativt, kan kiselhalten varieras för att åstad- komma den önskade hårdheten och det önskade intervallet. De fria kiselatomema i järnmatrisen härdar ferriten genom en fastlösningsmekanism, varvid styrkan och nötningsbeständigheten bibehålls, medan spånavlägsning och verktygslivslängd for- bättras.

Uppfinningen hänförs sig således till ett förfarande för att framställa ett färdigt als- ter av kompaktgrafitj ärn (CGI), innefattande stegen att: (a) framställa ett CGI-baserat järn innefattande, i vikt-%, ca 3,2 till 3,8 totalt C 2,8 till 4,0 Si och resten Fe och oundvikliga föroreningar, (b) behandla, kontrollera och gjuta legeringen på känt sätt, 10 15 20 25 in P-J- (D CD I\J C: 4 (c) låta den gjutna komponenten svalna i formen till en temperatur lägre än 775 °C, innan den skakas ut, (d) rengöra gjutgodset på känt sätt och (e) bearbeta gjutgodset, såsom genom borrning, svarvning, fräsning, gängskärning eller honing, för att framställa det färdiga alstret.

Helst innefattar den använda CGI-legeringen, i vikt-%, ca 3,2 till 3,8 totalt C; 2,8 till 4,0 kisel; 0,005 till 0,025 magnesium; upp till 0,030 svavel; upp till 0,4 mangan; upp till 0,2 koppar; spårmängder av tenn och resten järn och oundvikliga föroreningar, varvid Mg kan tillsättas separat eller i kombination med övriga legeringstillsatser.

Uppfinningen avser även ett färdigt alster av CGI-material som framställts enligt uppfinningen.

Uppfinningen avser även användningen av en CGI-legering som innefattar, i vikt-%, ca 3,2 till 3,8 totalt C 2,8 till 4,0 Si och resten Fe och oundvikliga föroreningar, för framställningen av ett färdigt alster genom att: (a) behandla, kontrollera och gjuta legeringen på känt sätt, (b) låta godset svalna i formen till en temperatur lägre än 775°C, (c) rengöra gjutgodset på känt sätt och (d) bearbeta gjutgodset, såsom genom borrning, svarvning, fräsning, gängskärning eller honing, för att framställa det färdiga alstret.

Lämpligen innefattar bearbetningssteget en borrnings- eller svarvningsoperation un- der hög hastighet där den skärande eggen är i kontinuerlig kontakt med den gjutna legeringen. 10 15 20 25 Kiselhalten kan väljas för att åstadkomma samma hårdhet som för konventionellt gråjärn, under det att man bibehåller en helt ferritisk matris, varvid legeringen inne- fattar 2,8-4,0 vikt-% kisel såsom ovan beskrivits.

Bearbetningssteget innefattar en eller flera arbetsoperationer valda från gruppen be- stående av fräsning, borrning, svarvning, gängskäming, honing, vilka kan utföras med ett flertal skärmaterial och skärbetingelser (hastighet, matning, skärdjup, verk- tygsgeometri, verktygsbeläggning etc). Även om CGI-legeringen som används en- ligt uppfinningen är avsedd att förbättra alla skäroperationer, är den primärt verksam vid höghastighetsborrning och roterande operationer, där skäreggen är i kontinuerlig kontakt med den gjutna legeringen.

Basjärn avser det järn som hålls i ugnen innan Mg och kärnbildare tillsätts.

De unika aspekterna med uppfinningen ligger i det faktum att bearbetbarheten hos legeringen kontrolleras av legeringskemi. CGI-artiklarna som framställs på detta sätt uppnår önskade mikrostrukturer och egenskaper före bearbetning, utan att några förändringar krävs för de konventionella bearbetningsförfarandena för grått gjutjärn.

CGI-legeringen som användes enligt uppfinningen innebär ett sätt att övervinna be- arbetningsproblemet, som för närvarande förhindrar industriell användning av CGI- motorblock.

Detalierad beskrivning av uppfinningen Framställningen, kontrollen och behandlingen av de föreslagna högkiselhalt-CGI- legeringarna (högkise1-CGI-legeringar) är de samma som de för konventionellt CGI.

Den enda betydande skillnaden är att extra kisel, i form av kiselkarbid eller järnhal- tigt kisel eller någon annan kommersiell kiselkälla, tillsätts badet antingen under smältning eller varmhållning av smält järn. Konventionella gjutförfaranden används 10 15 och gjutgodsen tillåts svalna i sandformarna tills bulktemperaturen är lägre än 775 °C. Därefter kan gjutgodsen luftsvalna, rengöras och förberedas för bearbetning.

För att göra uppfinningen lätt att förstå, kommer den att beskrivas med hänvisning till åtföljande tabell I nedan.

Tabell I är ett diagram av en utföringsform av legeringen enligt uppfinningen som smältes och undersöktes avseende kemisk sammansättning. I jämförelse med ”standard” till övervägande del perlitiska CGI-legeringar för användning i motor- block, har den nya högkisel-CGI en ferritisk matris och kännetecknas av följande sammansättningsskillnader.

Tabell I: Legering tillverkad enligt uppfinningen.

Standard CGI (%) Högkisel-CGI (%) Kol 3,3-3,8 3,2-3,8 Kisel 2,0-2,5 2,8-4,0 Svavel <0,030 <0,030 Magnesium 0,005-0,025 0,005-0,025 Mangan <0,5 <0,4 Koppar <1,0 <0,2 Tenn <0,1 Spårmängd Den roll de olika legeringskomponenterna antas spela är följande: 10 15 20 25 30 5220 0228 C: 3,2 till 3,8 vikt-%.

Kol är nödvändigt för att försäkra rätt grafitbildning. I kompakterad form ger grafit- partiklarna god termisk ledning och god vibrationsdämpning. Kolhalten hos högki- sel-CGI kan reduceras lite relativt konventionellt CGI för att bibehålla en konstant kolekvivalent (CE=s+pi/3).

Si: 2,8 till 4,0 vikt-%.

Kisel är ett mycket starkt grafitiseringsmedel som underlättar utfällningen av kol och tillväxten av grafitpartiklar. Detta resulterar slutligen i en ferritisk matris. Kisel ökar även hårdheten hos ferritfasen. Kiselhalter över 2,8 % krävs för att stabilisera en till övervägande del ferritisk matris. Den höjda kiselhalten ökar även kolekviva- lenten (CE=e+pi/3) hos järnet.

S: upp till 0,030 vikt-%.

Svavel är en förorening som är oundviklig i gjutjärn. Det reagerar med kalcium, magnesium, sällsynta jordartsmetaller och mangan för att bilda oskadliga sulfidinne- slutningar. Mangansulfidinneslutningarna förbättrar bearbetbarheten hos en del stål, men är ineffektivt för detta ändainål i magnesiumbehandlade gjutjärn.

Mg: 0,005 till 0,025 vikt-%.

Magnesium tillsätts för att kontrollera tillväxten av grafitpartiklarna. CGI är typiskt stabilt inom ett område av approximativt 0,008 % Mg, beroende av närvaron av för- orenande element och kylningshastigheten för gjutgodsen.

Mn: upp till 0,4 vikt-%.

Mangan är ett vanligt element i de råmaterial som används för att smälta gjutjärn.

Det underlättar perlitbildning och ska därför reduceras relativt konventionellt CGI.

Det balanseras vanligtvis med svavel i mängden % Mn=0,2*% S+0,l8 10 15 20 25 Cu: upp till 0,2 vikt-% Koppar sätts vanligtvis till CGI och en del smidesjärn för att stabilisera perlit. Till- satser av upp till 1,0 % krävs för att etablera en till övervägande del perlitisk matris i CGI. Lägre tillsatser föredras för högkisel-CGI. Den reducerade kopparhalten ger en kostnadsreducering relativt konventionellt CGI.

Sn: spårmängder Tenn är en mycket stark perlitstabilisator. Den tillsätts typiskt med koppar (1,0 % Cu och 0,1 % Sn) för att stabilisera en fullständigt perlitisk matris i konventionellt CGI. Begränsning av tenn till ”spårmängder” hjälper vid bildandet av en fullständigt ferritisk högkisel-CGI-matris. Den reducerade tennhalten ger en kostnadsreducering relativt konventionellt CGI.

Specificerade legeringar tillverkade enligt uppfinningen beskrivs i följande exem- pel: Exempel l Standard 25 mm teststänger framställdes enligt kompositionerna som återges i Ta- bell I och fick svalna till 700 °C före utskakning och efterföljande svalning i luft till rumstemperatur. Man fann att CGI-legeringar innefattande approximativt 3,3 % Si hade samma Brinell-hårdhet som ett helt perlitiskt konventionellt grått gjutjärn. Yt- terligare tester visade att varje efterföljande ökning med 0,1 % Si gav en ökning på approximativt 5 Brinellhårdhetsgradspunkter (5/750). Känsligheten mellan % Si och hårdhet medger för gjuterifackmannen att åstadkomma hårdhetsnivåer specificerade av maskinister, konstruktörer och materialtekniker. Grafitfonnen kunde kontrolleras inom de önskade mikrostrukturnivåerna (0-20 % nodularitet, ingen fjällig grafit) med normala CGI-processövervakningsförfaranden, såsom de som beskrivits i SE 8404579-8, SE 9003289-7 och SE 9704208-9, till vilka hänvisas som referens. Den ursprungliga tillsatsen av titan för att underlätta nodularitetskontroll var varken nöd- 10 15 20 (Il PJ CD CD FJ C _ 9 vändig eller önskvärd då titantillsatser bildar titankarbid och -karbonitrid- inneslutningar, som väsentligen påverkar bearbetbarheten.

Exempel 2 Vid höghastighetsborrningen av motorblock för bilar används vanligen skärinsatser tills kantslitaget når 0,2 eller 0,3 mm. Därefter byts insatsen och bearbetningen åter- upptages. Mängden skärning, innan man når kantslitagets slut-på-tjänstkriteria, mäts antingen som antalet bearbetade borrhål eller som det totala skäravståndet (vid en matningshastighet av 0,2 mm/varv, motsvarar ett 85 mm diameters och 95 mm långt cylinderlopp en total skärsträcka av approximativt 125 m). För motorblock av van- ligt gråjärn (GG 25 enligt DIN 1691-standarden) används CBN-verktyg vid hastig- heter av 600-800 m/min och förväntas hålla för åtminstone 200 cylinderloppsborr- ningar eller motsvarande 25 km total skärsträcka. En jämförelse mellan typiska egenskaper och bearbetningsresultat för GG 25 gråjärn, CGI med ”normal” kiselhalt och högkisel-CGI sammanställs i Tabell II respektive III.

Tabell II Sammanställning av material som används i jämförelsetest Material Typ av Procent Hårdhet Kemi (%) gjgtjäg Perilit BHN 10/3000 Q S_i 1 Grått >95 193 3,18 2,18 2 CGI 80-90 201 3,73 2,20 3 CGI 90-100 253 3,64 2,19 4 Högkisel-CGI 0 170 3,55 3,02 10 15 20 5 i” 0 0 ”f” 8 io Taben 111 Total skärsträcka (km) för material visade i tabell II vid användning av CBN- skärinsatser (slut-på-tjänst-kriterium: kantslitage 0,3 mm) Skärdetalj er Skärsträcka (km) Verktyg Hastighet Matning Djup Material Material Material Material Typ (m/min) (mm/v) (mm) Nr 1 Nr 2 Nr 3 Nr 4 CBN 400 0,3 0,15 12,5 4,0 1,5 55,5 CBN 800 0,3 0,15 22,5 2,0 1,5 3,0 Karbid 150 0,3 0,20 - - 33,5 21,5 57,0 Karbid 250 0,3 0,20 - - 5,5 5,5 27,0 Ur tabell III framgår att högkisel-legeringen (Material nr 4) ger väsentligt förbättrat verktygsslitage relativt konventionellt CGI. Vid jämförelse med GG 25 ger varian- ten med hög kiselhalt mer än fyra gånger längre skärsträcka när man använder CBN vid 400 m/min. Iämvikt med konventionellt gråjärn uppnås vid hastigheter mellan 400 och 800 m/min beroende på skärbetingelser. För karbidverktyg ger högkisel- CGI väsentligt förbättrad verktygslivslängd relativt konventionellt CGI.

Således är det uppenbart att legeringen som används enligt uppfinningen kan bear- betas till olika former (cylinderblock etc) med kommersiellt acceptabla verktygs- livslängder och egenskaper hos legeringen och bearbetningsresultaten kan kontrolle- ras av legeringssammansättningen. Således erhåller CGI-artiklama framställda på detta sätt önskade mikrostrukturer och egenskaper före bearbetning, medan en liten eller ingen förändring krävs i förhållande till konventionella bearbetningsmetoder för motorblock av grått gjutjärn.

Claims (6)

10 15 20 25 30 Patentkrav

1. l. F örfarande för framställning av ett färdigt alster av kompaktgrafltjärn (CGI) innefattande stegen att: (a) framställa ett CGI-baserad järnlegering innefattande, i vikt-%, ca 3,2 till 3,8 totalt C 2,8 till 4,0 Si och resten Fe och oundvikliga föroreningar, (b) behandla, kontrollera och gjuta legeringen på känt sätt, (c) låta gjutgodset svalna i formen till en temperatur lägre än 775 °C, (d) rengöra gjutgodset på känt sätt och (e) bearbeta gjutgodset, såsom genom borrning, svarvning, fräsning, gängskärning eller honing, för att framställa det färdiga alstret.

2. Förfarande enligt krav 1, varvid legeringen innefattar, i vikt-%, ca 3,2 till 3,8 totalt C 2,8 till 4,0 Si 0,005 till 0,025 Mg 0 till 0,030 S 0 till 0,4 Mn 0 till 0,2 Cu spårmängd Sn och resten Fe och oundvikliga föreningar.

3. F örfarande enligt krav 1 eller 2, varvid bearbetningssteget innefattar en borr- nings- eller svarvningsoperation under hög hastighet där den skärande eggen är i kontinuerlig kontakt med den gjutna legeringen. 4. Färdigt alster av kompaktgrafitj ärn (CGI), varvid alstret erhållits genom stegen att: 10 15 20 25 30 12 (a) framställa en CGI-baserad jänlegering innefattande, i vikt-%, ca 3,2 till 3,8 totalt C 2,8 till 4,0 Si och resten Fe och oundvikliga föroreningar, (b) behandla, kontrollera och gjuta legeringen på känt sätt, (e) låta godset svalna i formen till en temperatur lägre än 775°C, (d) rengöra gjutgodset på känt sätt och (e) bearbeta gjutgodset, såsom genom borrning, svarvning, fräsning, gängskärning eller honing, för att framställa det färdiga alstret.

4. Färdigt alster enligt krav 4, varvid legeringen innefattar, i vikt-%, ca ca 3,2 till 3,8 totalt C 2,8 till 4,0 Si 0,005 till 0,025 Mg 0 till 0,030 S 0 till 0,4 Mn 0 till 0,2 Cu spårmängd Sn och resten Fe och oundvikliga föreningar.

5. Användning av en kompaktgrafitjärn(CGI)-legering som innefattar, i vikt-%, ca 3,2 till 3,8 totalt C 2,8 till 4,0 Si och resten Fe och oundvikliga föreningar, för framställningen av ett färdigt alster genom att; (a) behandla, kontrollera och gjuta legeringen på känt sätt, (b) låta godset svalna i formen till en temperatur lägre än 775°C, (c) rengöra gjutgodset på känt sätt och (d) bearbeta gjutgodset, såsom genom borrning, svarvning, fräsning, gängskäming eller honing, för att framställa det färdiga alstret. 13

6. Användning enligt krav 6, varvid bearbetningssteget innefattar en borrnings- eller svarvningsoperation under hög hastighet där den skärande eggen är i konti- nuerlig kontakt med den gjutna legeringen.