2010-002
Gjutning och simulering av tunt segjärnsgjutgods
Andreas Carlsson
Swerea SWECAST AB Box 2033, 550 02 Jönköping Telefon 036 - 30 12 00 Telefax 036 - 16 68 66 swecast@swerea.se http://www.swereaswecast.se © 2010, Swerea SWECAST AB
Författare Rapport nr Datum
Andreas Carlsson 2010-002 2010-08-11
Sammanfattning
Många segjärnskomponenter är idag överdimensionerade på grund av bristande kunskap kring hur tunt segjärngjutgods ska produceras. Idag ligger stort viktfokus inom många branscher, speciellt då inom fordonsbranschen. Då kunskapen kring att gjuta segjärnet tunt är bristfällig blir konsekvensen vanligen att byta material (till exempel aluminium) för att reducera vikt. Då förloras många av segjärnets goda mekaniska egenskaper såsom hållfasthet och brottförlängning.
Den största utmaningen vid gjutning av tunt segjärnsgjutgods är att undvika karbidurskiljning (vitt stelnande) på grund av den höga stelnings- och svalningshastighet som uppkommer. Formfyllnaden blir av samma anledning också försvårad.
Ett antal prov göts i en testgeometri som bestod av ett tunnväggigt rör. Proven visade olika parameters påverkan på fyllhöjden i röret. Väggtjockleken visade sig naturligt vara en av de parametrar som påverkade allra mest. Kol- och kiselhalt visade mindre effekt på fyllhöjden.
Mikrostrukturen i ett antal rör studerades och det kunde ses ett samband mellan den höga stelnings- och svalningshastigheten och karbidbildning samt nodultäthet. Det noterades också att karbidbildning och nodultätheten varierar genom röret. Detta antas bero på att formmaterialet värms upp av den passerande smältan och blir mer isolerande. Det kan även bero på att foten på röret bidrar med värme till den närmaste omgivningen och därmed bromsar stelning och svalning.
Provgjutningarna i röret användes som indata för att trimma in gjutsimuleringsprogrammet ProCast. Det intrimmade programmet användes sedan för att gjutsimulera projektets reella komponent, ett cylinderskydd från Indexator AB.
Simuleringen visade att det skulle bli en problematisk gjutning med stor risk för kallflytningar. En provgjutning bekräftade resultatet.
För att minska karbidbildningen krävs mer utredning kring hur smältans kemiska sammansättning och ympprocessen påverkar segjärnets mikrostruktur vid tunnväggig gjutning. Försök bör också göras med ökad isolation i formmaterialet för att sänka stelnings- och svalningshastigheten.
Formfyllnad vid tunnväggig gjutning är idag möjlig att simulera med tillfredställande noggrannhet. Dock behövs mer kunskap kring samspelet mellan smälta och form. Gravitationsgjutning av tunna sektioner är ett relativt snabbt förlopp där värmeövergångstalet och värmeledningsförmågan hos formsanden är faktorer som påverkar i hög grad.
1 TILLKOMST ... 1 2 INLEDNING... 2 2.1 BAKGRUND... 2 2.2 MÅL OCH SYFTE... 2 2.3 AVGRÄNSNING... 2 3 FÖRSTUDIE ... 3 3.1 FORMFYLLNAD... 3 3.2 MIKROSTRUKTUR... 4 3.3 REKOMMENDATIONER... 5 4 PRAKTISKA FÖRSÖK ... 7 4.1 FÖRSÖK DEL A... 8 4.1.1 Genomförande ... 8 4.2 FÖRSÖK DEL B ... 9 4.2.1 Genomförande ... 9 4.3 FÖRSÖK DEL C ... 10 4.3.1 Genomförande ... 10 4.4 MIKROSTRUKTUR... 10
4.5 REELL KOMPONENT –CYLINDERSKYDD... 11
5 SIMULERING... 12 5.1 FINIT ELEMENTMODELL... 12 5.2 KALIBRERING... 15 6 RESULTAT ... 16 6.1 PRAKTISKA FÖRSÖK... 16 6.1.1 Försök del A... 16 6.1.2 Försök Del B... 16 6.1.3 Försök Del C... 17 6.1.4 Mikrostruktur ... 18 6.2 SIMULERING... 20 6.2.1 Rör ... 20
6.2.2 Reell komponent – Cylinderskydd... 21
7 DISKUSSION ... 23
Bilageförteckning
Bilaga 1 Resultat Bilaga 2 Simulering Bilaga 3 Indata flytlängd1 Tillkomst
Denna rapport utgör slutrapporten för forskningsgruppen Tunt gjutgods inom VI-projektet, Vikt- och Volymintelligenta gjutna konstruktioner. Projektet är finansierat av VINNOVA tillsammans med företagens egna insatser.
Rapporten är sammanställd av Andreas Carlsson vid Swerea SWECAST i Jönköping
Ett tack riktas till företag, institut och högskolor som deltagit i projektet:
Componenta AB HIAB AB Högskolan Halmstad Indexator AB Scania AB SKF Mekan AB Swerea SWECAST AB Volvo Buss Volvo 3P Jönköping 2009-12-28
2 Inledning
2.1
Bakgrund
Denna rapport syftar till att öka kunskapen kring gjutning och simulering av tunna segjärnskomponenter. Många segjärnskomponenter är idag överdimensionerade på grund av bristande kunskap kring hur tunt segjärngjutgods ska produceras. Idag ligger ett stort viktfokus inom många branscher, speciellt då inom fordonsbranschen. Då kunskapen kring att gjuta segjärnet tunt är bristfällig blir konsekvensen vanligen att byta material för att reducera vikt. Då förloras många av segjärnets goda mekaniska egenskaper såsom hållfasthet och brottförlängning. Att gjuta tunt är svårt och processfönstret är smalt. Speciellt med tunt gjutgods är den höga stelnings- och svalningshastigheten som kan vara gynnsam för vissa gjutna material men som för tunnväggigt segjärn introducerar utmaningar. Mikrostrukturen i segjärnet styr dess egenskaper och mikrostrukturen påverkas i mycket hög grad av stelnings- och svalningshastigheten. Höga stelnings- och svalningshastigheter kan bland annat leda till karbidutskiljning (vitt stelnade) och kallflytningar vilka är de stora utmaningarna vid gjutning av tunt segjärnsgjutgods.
Inom gjutning är formfyllnaden av stor betydelse. Formfyllnaden ska vara snabb men också lugn för att inte orsaka turbulenta flöden som ligger till grund för många gjutdefekter. För att lyckas med en god formfyllnad är simulering ett kraftfullt verktyg. Att simulera tunt gjutgods ställer speciella krav på beräkningsmodellen såsom tillräckligt många element i tunna sektioner och rätt antaganden vid inmatning av indata. Då det ofta är problematiskt att använda många element i en tunnväggig sektion på grund av datorkapaciteten ställs ytterligare högre krav på att modellen är rätt inställd.
2.2
Mål och syfte
Målet med rapporten är att öka kunskapen kring gjutning och simulering av tunnväggigt segjärnsgjutgods. Området är komplicerat och rapporten kan endast översiktligt belysa de problem och möjligheter som finns.
2.3
Avgränsning
Rapporten berör gjutprocessen och resultatet av den. Fokus ligger på konstruktion/beredning och simulering men även mikrostruktur berörs i viss omfattning.
3
Förstudie
En gjuten segjärnskomponent anses vara tunnväggig då väggtjockleken ligger inom intervallet 2-5 mm [1]. För att gjuta tunnväggigt segjärn måste ett antal utmaningar övervinnas. Den tunna väggtjockleken gör att stelnings- och svalningshastigheten blir hög vilket påverkar segjärnets mikrostruktur som i sin tur påverkar materialets egenskaper. Formfyllnaden blir av samma anledning komplicerad och måste noga beredas då risken för kallflytningar är hög.
3.1
Formfyllnad
Flytbarhet kan sägas vara en metallsmältas förmåga att fylla en form. En grundförutsättning är att skapa en så god flytbarhet att en komplett formfyllnad kan nås. Det som huvudsakligen styr flytbarheten vid tunnväggigt gjutgods är väggtjockleken och övertemperaturen på den smälta metallen [1]. Även andra faktorer spelar in såsom värmeöverföringen till formmaterialet, formmaterialets värmeledningsförmåga och mottryck i formen. Kallflytningar kan uppstå när temperaturen sjunkit till en så låg nivå att metallen börjat stelna innan formfyllnaden är komplett. På grund av den höga stelnings- och svalningshastigheten som är förknippad med tunt gjutgods finns ökad risk för kallflytningar och därmed en undermålig gjutgodskvalité.
Ingjutsystemet har stor påverkan på formfyllnaden. Eftersträvansvärt är en snabb men lugn formfyllnad för att undvika kallflytningar och turbulenta flöden. För höga ingjuthastigheter kan ge splash effekter i smältan som gör att smältan kyls och flytbarheten sänks [2]. Generellt ger en högre ingjuthastighet sämre gjutgodskvalité i form av inneslutningar och oxidbildning.
Flytlängden är ett mått på hur långt en smälta flyter i en testform. Ett sätt att få en uppfattning om flytlängden är att tillämpa en teori som Campbell utvecklat [2]. Flytlängden går att approximera med Ekvation 1. Indata och beteckningar ses i Appendix 3. gt h g A V C K T T T C H L s m m m m f
α
2 2 1 ) ( 4 2 2 0 x s (1)Flytlängd Segjärn och Stål 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 0 75 150 Övertemperatur (C) Fl y tl ä ngd ( m ) Segjärn (2mm) Segjärn (3mm) Stål (2mm) Stål (3mm)
Figur 1: Jämförelse av flytlängd mellan segjärn och stål.
Ett sätt att öka flytbarheten kan vara att använda ett sandersättningsmedel som sänker formmaterialets värmeledningsförmåga [1]. Ett exempel på ett sådant är LDASC (Low Density Alumina Silicate Ceramic).
3.2
Mikrostruktur
Ett segjärns mekaniska egenskaper beror bland annat på andelen ferrit/perlit i materialet men också grafitnodulernas form, storlek och täthet [1]. Generellt ökar nodultätheten med ökande svalningshastighet och ger bättre utmattningsegenskaper [1].
Den höga stelnings- och svalningshastigheten kan ge upphov till karbidutskiljning vilket ger oönskade mekaniska egenskaper [1]. För att minska risken för karbidutskiljning bör karbidbildande ämnen minimeras. Ett urval av legeringselement och dess påverkan ses i Tabell 1.
Tabell 1 Påverkan på mikrostrukturen av legeringselement [1].
Element Effect during solidification Effect during eutectoid reaction
Aluminum Strong graphitizer Promotes ferrit and graphite
formation
Antimony Little effect in amounts used Strong pearlite retainer Bismuth Carbide promoter, but not
carbide former
Very mild pearlite stabilizer
Chromium Strong carbide former,
Forms complex stable carbides
Strong pearlite former
Copper Mild graphitizer Promotes pearlite formation Manganese Mild carbide former Pearlite former
Element Effect during solidification Effect during eutectoid reaction
Nickel Graphitizer Mild pearlite promoter
Silicon Strong graphitizer Promotes ferrit and graphite
formation
Tellurium Very strong carbide
promoter, but not stabilizer
Very mild pearlite stabilizer
Tin Little effect with amount used Strong pearlite retainer Titanium
<0.25%
Graphitizer Promotes graphite formation
Vanadium Strong carbide former Strong pearlite former
Områden som fylls sist i formen har ofta en högre andel karbider. Detta beror på att smältan i dessa områden har förlorat mest i temperatur och formmaterialet har lokalt inte värmts upp av passerande smälta. Detta leder till en ytterligare högre stelnings- och svalningshastighet som är karbidfrämjande.
3.3
Rekommendationer
Enligt [1] kan följande riktlinjer ges vid gjutning av tunt segjärnsgjutgods:
Gjutvänlig gjutgodskonstruktion (strömlinjeformning med avseende på formfyllnad/kanteffekter).
Kemisk sammansättning på smältan (CE, Mg-halt och karbidbildande ämnen). Val av ympmedel samt hur det tillsätts.
Gjuttemperaturen.
Intrimning av gjutsimuleringsprogram för utformning av gjutsystem. Termiska balansen mellan formmaterialet och smältan.
Vidare ger [1] följande rekommendationer och anvisningar vid gjutning av tunnväggigt segjärnsgjutgods:
Utnyttja möjligheten att leda förbi smälta i tunnare partier för att värma upp formmaterialet under formfyllnaden som komplement till att höja gjuttemperaturen.
Utforma gjutgodset så att kanteffekter och därmed karbidutskiljning kan undvikas.
Sätta maxgräns för CE för att undvika degenerering av grafitmorfologin för att klara segheten.
Anpassa mg-halten mot väggtjockleken. Minska mg-halten med minskad väggtjocklek .03-.04% mg vid t=2 mm och .04-.05% mg för 4<t<7 mm.
Lägg mycket fokus på vilken typ av ympmedel som skall användas och hitta en stabil, väl fungerande smältabehandlingsprocess/ympmedelsprocess.
Använd Cu för att styra andelen perlitisk struktur/högre sträck- och brottgräns Minimera alla karbidbildande ämnen i smältan respektive använd mer av
Överväg om processfönstret behöver breddas genom att minska formmaterialets värmeupptagningsförmåga (användning av LDASC).
Använda gjutsimulering för att optimera ingjutssystemets utformning och för att förebygga alltför snabba stelningsförlopp i tunna partier.
Trimma in gjutsimuleringsprogram mot specifik process och hitta kritiska parametrar som kan ge fingervisning om man ligger innanför processfönstret.
4
Praktiska försök
För att stötta projektet med data kring att gjuta tunnväggigt segjärn genomfördes ett antal praktiska försök med en testgeometri och även med en reell komponent. Testgeometrin bestod av ett rör med en väggtjocklek på 2 eller 3 mm beroende på vilken kärna som användes. De praktiska försöken delades upp i 3 separata försöksplaner och proven genomfördes vid SKF Mekan AB i Katrineholm och Skandinaviska Gjuteriskolan i Jönköping. Alla prov handformades på SKF Mekan AB. De praktiska försöken hade två syften; det första var att få en känsla för hur några utvalda parametrar påverkade gjutresultatet men även att utgöra simuleringsunderlag för att kalibrera in gjutsimuleringsprogram. Testgeometrin ses i Figur 2.
Figur 2 Testgeometri med huvudsakliga dimensioner i meter.
Testgeometrin hade ett expanderande ingjutsystem för en lugn formfyllnad och för att minimera processvariationen. Smältan samlades i en rejält tilltagen slaggfälla och gick sedan genom inloppet med kurvatur vilket gav en roterande smälta upp igenom röret.
Försöksplanerna A, B och C är uppbyggda efter statistisk försöksplanering med fullfaktorförsök. Varje provplan innehåller 3 parametrar och 8 prov. 8 prov är ingen stor provmängd och ger endast en indikation på parametrarnas inverkan på resultatet.
Även en reell komponent undersöktes inom ramen för projektet. Den reella komponenten var ett cylinderskydd från Indexator AB. Skyddet hade en generell godstjocklek på 4 mm och var ursprungligen tillverkad av en bockad plåt med påsvetsade anslutningar.
Figur 3 Cylinderskydd från Indexator.
4.1
Försök del A
4.1.1 Genomförande
Försöken genomfördes för att se hur processparametrarna blackning, kärnstörning och gjuttemperatur påverkade gjutresultatet hos tunt segjärnsgjutgods. Försöken genomfördes på SKF Mekan AB i Katrineholm.
Gjuttemperaturen kunde av praktiska skäl inte mätas kontinuerligt utan mättes före och efter gjutning med interpolerade värden däremellan.
Ett blackningsmedel är ett ytskikt som kan påverka flytbarheten positivt eller negativt beroende på om blackningsmedlet är isolerande eller kylande. Blackningsskiktet kan också påverka formens friktion gentemot smältan. Enligt [2] kan ett blackningsmedel öka flytbarheten med upp till 20 %. Vid dessa försök användes Trioflex HP som blackningsmedel. Blackningsmedlet var svårt att få jämntjockt då det sprutades på och hade en tendens att rinna.
Figur 4 Formhalva av testgeometrin med blackningsmedel.
För att åstadkomma en kärnstörning togs sand motsvarande 0,5 mm ut ur formen vid styrningen av kärnan, se Figur 5. Tanken med försöket var att se hur känslig gjutprocessen var för en kärnstörning och se hur det påverkade formfyllnaden av det tunnväggiga röret.
Figur 5 Kärnstörningen skapades genom att sänka kärnan 0,5 mm extra ned i formen.
Försöken genomfördes enligt provplan i Tabell 2. Tabell 2 Provplan försök del A.
Blackning Kärnstörning Gjuttemperatur [ ºC]
A1 Nej Ja 1350(-) A2 Ja Ja 1345(-) A3 Nej Nej 1340(-) A4 Ja Nej 1335(-) A5 Nej Ja 1380(+) A6 Ja Ja 1375(+) A7 Nej Nej 1370(+) A8 Ja Nej 1365(+) Parametrar Försök
4.2
Försök Del B
4.2.1 GenomförandeI försöksplan B, se Tabell 3, undersöktes smältans kemiska sammansättnings påverkan på fyllhöjden i röret. Kol- och kiselhalten är intressant när tunt segjärn gjuts då båda har en stor påverkan på mikrostrukturen och därmed även de slutliga egenskaperna hos materialet. Det finns inte så mycket dokumenterat om kol- och kiselhaltens påverkan på flytbarheten, varför dessa prov genomfördes. Gjuttemperaturen hölls konstant medan kol- och kiselhalt varierades till en låg eller hög nivå.
Proven genomfördes på Skandinaviska Gjuteriskolan i Jönköping.
Tabell 3 Provplan försök del B. Värden utan parentes är målvärden och värden inom parentes är uppmätta värden vid gjuttillfället. *=Prov taget i ugn.
CE %C %Si Gjuttemperatur [ ºC] B1 4.3 (4,35)* 3.35 (3,39)* 3.8 (3,85)* 1340 B2 4.3 (4,35)* 3.35 (3,39)* 3.8 (3,85)* 1340 B3 4.3 (4,37) 3.23 (3,23) 4.3 (4,56) 1335 B4 4.3 (4,37) 3.23 (3,23) 4.3 (4,56) 1335 B5 4.6 (4,53)* 3.65 (3,54)* 3.8 (3,97)* 1344 B6 4.6 (4,53)* 3.65 (3,54)* 3.8 (3,97)* 1344 B7 4.6 (4.43) 3.53 (3,29) 4.3 (4,56) 1340 B8 4.6 (4,43) 3.53 (3,29) 4.3 (4,56) 1340 Parametrar Försök
4.3
Försök Del C
4.3.1 Genomförande
I del C undersöktes väggtjockleken, tryckhöjden och gjuttemperaturens påverkan på fyllhöjden i det tunnväggiga röret. Väggtjockleken var 2 eller 3 mm och reglerades genom att använda en kärna med större eller mindre diameter. För att öka tryckhöjden höjdes skänken cirka 200 mm extra över koppen. Proven genomfördes på SKF Mekan AB i Katrineholm enligt provplan som ses i Tabell 4. Tabell 4 Provplan försök del C.
Väggtjocklek [mm] Tryckhöjd Gjuttemp [ °C]
C1 2 Låg 1369 C2 3 Låg 1366 C3 2 Hög 1360 C4 3 Hög 1353 C5 2 Låg 1335 C6 3 Låg 1329 C7 2 Hög 1326 C8 3 Hög 1323 Parametrar Försök
4.4
Mikrostruktur
Mikrostrukturen är av stor vikt att undersöka vid gjutning av tunt segjärnsgjutgods. Speciellt viktigt är att se förekomsten av karbider. Mikrostrukturen undersöktes i teströr C1 och C2. De göts under samma förhållanden (samma smälta och gjuttemperatur) men med olika väggtjocklek (2 respektive 3 mm). I rör C2 togs tre prov ut på 45, 140 och 250 mm höjd. För prov C1 togs endast två prov ut på 45 och 145 mm på grund av den lägre fyllhöjden.
45mm 140mm 250mm 45mm 140mm 250mm 45mm 140mm 250mm
4.5
Reell komponent – Cylinderskydd
Cylinderskyddet hade en geometri som utvecklats för att tillverkas i bockad och svetsad plåt. Det innebar stora plana ytor som generellt är svåra att gjuta. Arbetsgången blev enligt följande:
1. Genomför praktiska försök med tunnväggiga rör.
2. Använd data från de praktiska försöken för att kalibrera in gjutsimuleringsprogram.
3. Simulera cylinderskyddet med det kalibrerade gjutsimuleringsprogrammet för att stötta beredningen och identifiera problem tidigt.
5
Simulering
För att skaffa sig de rätta förutsättningarna att producera ett fullgott tunnväggigt segjärnsgjutgods är gjutsimulering ett bra (och ibland nödvändigt) hjälpmedel. I detta projekt användes gjutsimuleringprogrammet ProCast. ProCast är ett finit elementbaserat program som arbetar med en modell som är volymsdiskretiserad av element. En fördel med ett finit elementbaserat program är att elementen går att styra till form och storlek vilket medger att olika elementstorlekar kan användas i samma simulering. Det gör att elementnätet går att anpassa bra efter geometrin. För att kalibrera in ProCast användes röret som producerades i försök A3 i de praktiska försöken ovan.
Figur 7 Rör A3 som användes som målrör vid kalibrering av ProCast
5.1
Finit elementmodell
Grunden för en bra beräkningsmodell över gjutprocessen är en finit elementmodell (FE-modell) med rätt upplösning. Med rätt upplösning menas att elementtätheten är tillräckligt hög för att återge gjutningen på ett fysikaliskt korrekt sätt. Generellt gäller att ju fler element som används desto bättre blir approximationen, lösningen konvergerar.
Den kritiska sektionen var i detta fall det tunnväggiga röret med en väggtjocklek på 2 mm. För att undersöka vilken elementtäthet som behövdes gjordes tre modeller med 1, 2 och 3 element över tjockleken radiellt. Resultatet av tre testsimuleringar med samma indata ses i Figur 8.
Figur 8 Resultat med olika antal element över tjockleken i det tunnväggiga röret. Från vänster, 1, 2 och 3 element radiellt.
Resultatet visade att fyllhöjden påverkas av modellens upplösning men vid tre element över tjockleken har fyllhöjden planat ut (Figur 9) och förväntades inte ändras även om elementtätheten ökades ytterligare.
Element över tjockleken
0 50 100 150 200 250 300 350 Antal element Fy ll h ö jd Serie1 78 298 301 1 2 3
Figur 9 Fyllhöjden som funktion av antalet element över tjockleken i det tunnväggiga röret.
Anledningen till att formfyllnaden inte blev så stor i modellen med endast ett element över tjockleken ses i Figur 10. Där ses smältfronten uppifrån i det tunnväggiga röret. På grund av att hastigheten var noll utmed formväggen fanns det inte tillräckligt med element att representera en hastighet på smältan mellan formväggarna och hastigheten blev noll genom hela tvärsnittet. Då 3 element användes genom sektionen erhölls en väl utvecklad smältfront med högst hastighet i mitten och sedan fallande ut till formväggen för att där slutligen bli noll.
Figur 10 Smältfronten i det tunnväggiga röret sett uppifrån. Från vänster 1,2 och 3 element över tjockleken. Resultatet blir naturligt bäst med 3 element och smältfronten kan representeras på ett fysikaliskt sätt.
FE-modellen blev enligt Figur 11 innehållandes 4,2 miljoner av 1:a ordningens tetraeder med 3 element över tjockleken i det tunnväggiga röret.
Figur 11 FE-modellens slutliga mesh. Till vänster syns hela modellen, i mitten en utskärning i det tunnväggiga röret och till höger en närbild på meshen i röret.
5.2
Kalibrering
Ett antal parametrar testades för att kalibrera in beräkningsmodellen mot det uppgjutna röret. Resultaten av dessa simuleringar finns i Appendix 2. Parametrarna som testades var:
Värmeövergångstalet mellan form och smälta Formmaterialets värmeledningsförmåga Smältans ytspänning
Fraction Solid kurvan (FS-kurvan) Gjuttemperaturen
6
Resultat
6.1
Praktiska försök
Nedan redovisas resultaten från de praktiska försöken. För de tunnväggiga rören utvärderades fyllhöjden och vikten på rören som mått på flytbarheten. Fyllhöjden mättes på två ställen på varje rör. En mätning där höjden var som lägst och en mätning där höjden var som högst och sedan togs ett medelvärde av dessa. Även det visuella resultatet var av vikt för att bedöma resultatet av provgjutningarna.
6.1.1 Försök del A
Resultatet visar att processkänsligheten är hög. Både blackning och kärnstörning har stor påverkan på resultatet. I Figur 12 visas ett rör utan blackning, två rör med blackning två rör med både blackning och kärnstörning. Då väggtjockleken endast är 2 mm gör en störning att smältan undviker den allra tunnaste sektionen för att istället fylla högre där väggtjockleken är större. I denna provserie gav en utvärdering av fyllhöjden inte så mycket mervärde på grund av de stora effekterna av blackningen och kärnstörningen. Fullständiga resultat ses i Appendix A.
Figur 12 Bilder på resultat från försök del A.
6.1.2 Försök Del B
Inga stora skillnader i flytbarhet kunde ses. Prov B3 och B4 som är gjutna med samma förutsättningar visar en skillnad i fyllhöjd som är relativt stor vilket indikerar en processosäkerhet. Bästa röret var B4 med en snitthöjd av lägsta och högsta höjd på 225 mm. Rör B4 hade låg kolekvivalent (4,37) och en hög kiselhalt (4,56%).
Figur 13 Bilder på resultat från försök del B. Proven ligger i ordning med prov nr 1 från vänster till 8 åt höger.
Sämst fyllhöjd visade rör B1 som nådde en snitthöjd av lägsta och högsta höjd på 115 mm. Provet hade låg kolekvivalent (4,35) och låg kiselhalt (3,85%). Men sammantaget var fyllhöjden ganska samlad mellan proven och inga stora skillnader kunde ses. I Figur 14 visas resultatet i diagramform med låg och hög nivå på kiselhalten och kolekvivalenten.
Fyllhöjd VS Parametervärde 140 145 150 155 160 165 170 Låg nivå Hög nivå M e d e l f y llh ö jd [ m m ] Kiselhalt Kolekvivalent
Figur 14 Resultat av provserie B. Notera att y-axeln är bruten.
6.1.3 Försök Del C
I försök del C utvärderades parametrarna väggtjocklek, tryckhöjd och gjuttemperatur. Resultatet ses i Figur 15.
Figur 15 Resultat av provserie C. Proven ligger i ordning med prov nr 1 från vänster till 8 åt höger.
Störst påverkan hade väggtjockleken. Då väggtjockleken ökade från 2 till 3 mm ökade den genomsnittliga fyllhöjden från 192 till 305 mm. Lite förvånande hade hög gjuttemperatur och hög tryckhöjd negativ inverkan på fyllhöjden. Detta kunde bero på att temperatur och höjdskillnaden var för liten mellan hög och låg nivå så att resultatet försvann i processvariationen. Resultatet ses i diagramform i Figur 16. Fyllhöjd VS parametervärde 150 170 190 210 230 250 270 290 310 330 350 Låg nivå Hög nivå M e de l f y ll höj d Väggtjocklek Tryckhöjd Gjuttemp
Figur 16 Resultat av provserie C.
6.1.4 Mikrostruktur
Proven har analyserats med avseende på nodultäthet och karbidbildning. Som ses i Figur 17 har röret med en väggtjocklek på 2 mm generellt en högre nodultäthet än röret med 3 mm väggtjocklek. Nodultätheten är kopplad till stelningshastigheten och det ses tydligt i resultatet då det tunnare röret naturligt har en högre stelningshastighet.
Nodultäthet 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 45 145 245 Avstånd från rot [mm] Nodultä th e t ( N od/ mm 2) 2mm 3mm Karbider ”Karbidfritt” ”Karbidfritt” Karbider ”Karbidfritt” Nodultäthet 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 45 145 245 Avstånd från rot [mm] Nodultä th e t ( N od/ mm 2) 2mm 3mm Karbider ”Karbidfritt” ”Karbidfritt” Karbider ”Karbidfritt” Nodultäthet 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 45 145 245 Avstånd från rot [mm] Nodultä th e t ( N od/ mm 2) 2mm 3mm Karbider ”Karbidfritt” ”Karbidfritt” Karbider ”Karbidfritt”
Figur 17 Nodultätheten som funktion av avståndet från roten på rören.
Det blir en lägre nodultäthet längre ned i rören. Denna skillnad kan bero på:
Formsanden värms upp av den passerande smältan i de lägre delarna av röret vilket leder till en långsammare stelnings- och svalningshastighet i dessa områden.
Foten på röret är en godsansamling agerar som ”värmematare” uppåt i röret.
Noterbart är också lutningen på linjerna i diagrammet. Tendensen är att en tunnare vägg får en större skillnad i nodultäthet upp igenom röret.
Karbidutskiljningen sker högre upp i 3 mm röret jämfört med 2 mm röret. Det är naturligt på grund av att den tjockare godstjockleken ger en lägre stelnings- och svalningshastighet vilket motverkar karbidutskiljningen. Av samma anledningar som nämns i punktlistan ovan fås mer karbider högre upp i rören. Exempel på karbider ses i Figur 18.
Figur 18 Exempel på karbider som tagits ur prov A5. Karbiderna syns som långa nålar i strukturen.
Nodulariteten undersöktes i prov A1 och C2 och nodulerna tillhörde med över 80 % form V eller VI.
Figur 19 Nodulariteten hos rör C2.
6.2
Simulering
6.2.1 RörEfter kalibrering av beräkningsmodellen erhölls resultat enligt Figur 20.
Figur 20 Jämförelse mellan simuleringsresultat och verklig gjutning.
Receptet på parametrar är enligt följande:
Värmeövergångstalet 2300 [W/m²/K]. Denna parameter ska vara mycket högre än normalt. Standardvärdet är cirka 300 [W/m²/k].
Sandens värmeledningsförmåga 5 [W/m/K]. Även detta värde är högre än normalt. Värdet brukar ligga mellan 0,5-1,5 och är normalt temperaturberoende.
Smältans ytspänning ger ingen större påverkan och kan i detta fallet utelämnas då beräkningstiden förlängs.
Hastigheten på smältan utmed formväggen är noll. Detta ger förutsättning för smältan att överföra energi till formmaterialet.
Väggfriktionen ligger på 0,6. Det är något högre friktion än normalt.
En tunnväggig sektion ska modelleras med minst tre element över tjockleken.
6.2.2 Reell komponent – Cylinderskydd
Beräkningsmodellen kalibrerades mot rören och användes sedan för att gjutsimulera den reella komponenten, cylinderskyddet. För att få en lugn men ändå snabb formfyllnad göts cylinderskyddet liggandes med ett brett ingjutsystem längs hela sidan av cylinderskyddet. Efter simulering med den nya metoden sågs svårigheter att gjuta komponenten på grund av den låga modulen (volym/area). Det upptäcktes tendenser till kallflytningar. Simulering ses i Figur 21.
Figur 21 Formfyllnad av cylinderskyddet. Grå områden har stelnat och indikerar kallflytningar.
Simuleringen bekräftades med en uppgjutning av cylinderskyddet i segjärn på Skandinaviska Gjuteriskolan i Jönköping. Resultatet ses i Figur 23.
Figur 22 Gjutet resultat av cylinderskyddet.
För att lyckas med gjutningen krävdes fler simuleringar för att modifiera ingjutsystemet. Tyvärr rymdes inte detta inom projektet.
7
Diskussion
Att gjuta tunt segjärnsgjutgods presenterar en rad utmaningar. Den höga stelnings- och svalningshastigheten kan
Ge en hög andel karbider.
Bidra till olika nodultätheter (materialegenskaper) i samma komponent. Försvåra formfyllnaden på grund av kallflytningar etc.
För att minska karbidbildningen krävs mer utredning kring hur smältans kemiska sammansättning och ympprocessen påverkar segjärnets mikrostruktur vid tunnväggig gjutning. Försök bör också göras med ökad isolation i formmaterialet för att sänka stelnings- och svalningshastigheten.
Formfyllnad vid tunnväggig gjutning är idag möjlig att simulera med tillfredställande noggrannhet. Dock behövs mer kunskap kring samspelet mellan smälta och form. Gravitationsgjutning av tunna sektioner är ett relativt snabbt förlopp där värmeövergångstalen och värmeledningsförmågan hos formsanden är faktorer som påverkar i hög grad.
För att öka kunskapen kring gjutprocessen och resulterande mikrostruktur bör egenskapssimulering utredas. Att kunna prediktera materialegenskaper tidigt i utvecklingsprocessen är viktigt och det gäller tunnväggigt segjärn i synnerhet.
8
Referenser
[1] ”Litteraturstudie Tunt gjutgods”, Jonas Bäckman (2009) Svenska Gjuteriföreningen rapport nr 070207.
[2] ”Guide för tillverkning av tunt gjutgods för lättare konstruktioner” Stefan Gustafsson Ledell, Jonas. Bäckman (2007) Svenska Gjuteriföreningen rapport nr 090331.
Appendix 1 Resultat
Försök del ABlackning Kärnstörning Gjuttemperatur [ ºC] Min Max Medel Diff Vikt
A1 Nej Ja 1350(-) 90 200 145 110 1,8 A2 Ja Ja 1345(-) 1 330 166 329 2,45 A3 Nej Nej 1340(-) 210 245 228 235 2,16 A4 Ja Nej 1335(-) 100 330 215 230 2,4 A5 Nej Ja 1380(+) 185 270 228 85 2,23 A6 Ja Ja 1375(+) 25 330 178 305 2,1 A7 Nej Nej 1370(+) 135 230 183 95 1,91 A8 Ja Nej 1365(+) 20 240 130 220 1,65 Parametrar Försök Resultat Försök del B
CE %C %Si Gjuttemperatur [ ºC]* Min Max Medel Vikt
B1 4.3 (4,35)* 3.35 (3,39)* 3.8 (3,85)* 1340 90 140 115 1,47 B2 4.3 (4,35)* 3.35 (3,39)* 3.8 (3,85)* 1340 110 200 155 1,67 B3 4.3 (4,37) 3.23 (3,23) 4.3 (4,56) 1335 60 175 118 1,58 B4 4.3 (4,37) 3.23 (3,23) 4.3 (4,56) 1335 210 240 225 2,6 B5 4.6 (4,53)* 3.65 (3,54)* 3.8 (3,97)* 1344 150 230 190 1,87 B6 4.6 (4,53)* 3.65 (3,54)* 3.8 (3,97)* 1344 90 160 125 1,51 B7 4.6 (4.43) 3.53 (3,29) 4.3 (4,56) 1340 140 220 180 1,67 B8 4.6 (4,43) 3.53 (3,29) 4.3 (4,56) 1340 80 200 140 1,56 Parametrar Försök Resultat Försök del C
Väggtjocklek [mm] Tryckhöjd Gjuttemp [ °C] Min Max Medel Vikt
C1 2 Låg 1369 140 210 175 1,83 C2 3 Låg 1366 280 330 305 3,2 C3 2 Hög 1360 90 240 165 1,73 C4 3 Hög 1353 245 308 277 3,33 C5 2 Låg 1335 240 320 280 2,43 C6 3 Låg 1329 285 330 308 3,28 C7 2 Hög 1326 150 150 150 1,63 C8 3 Hög 1323 330 330 330 3,22 Parametrar Försök Resultat
Appendix 3 Indata flytlängd
Typiska materialdata Parametrar Segjärn Stål Lf = Flytlängd (cm) - = Densitet (g/cm3 ) 7,2 7,8 H = ”Heat of fusion” (J/g) 476 250 C = Specifikt värme (J/gK) 0,91 0,50 Tm = Smälttemperatur (°C) 1270 1528 T0 = Formtemperatur (°C) 20 Km = Värmeledning, form (w/cmk) 0,007 m = Densitet, form (g/cm3) 1,50Cm = Specifikt värme, form (J/gK) 1,00
= Ytspänning [N/cm] 0,013
g = gravitationen [cm/s2] 981
M = V/A = t/2 (cm) ** V = Volym, gjutgods (cm3)
A = Kylande area, gjutgods (cm2) t = Väggtjocklek (cm)
t/2
s = Andel stelnat när metallen slutar flyta
0.3
x = Ökad ytspänning p g a oxider (endast aluminium)
1
= Förlustfaktor i ingjutssystem 0.5
Används i beräkningar nedan
hs = Nedloppets höjd [mm] 200
s = Andel stelnat 0,3
x = Ökad ytspänning p g a oxider (endast aluminium) 1 1
