3.3 Kompaktgrafitjärn (CGI)

Kompaktgrafitjärn benämns ofta också med den engelska förkortningen CGI (Compacted Graphite Iron). Det är en gjutjärnstyp, som egenskapsmässigt ligger nästan mitt emellan gråjärn och segjärn, vilket gör materialet intressant för en rad applikationer, främst när man vill förena något av gråjärnets goda skärbarhet och goda värmeledningsförmåga med något av segjärnets höga hållfasthet och seghet

Skriv ut
Innehållsförteckning

    3.3.1 Kompaktgrafitjärn (CGI)

    I tabellen nedan jämförs CGI på några egenskaper i liknade hållfasthetsområde med gråjärn och segjärn.

    Tabell 10. Jämförelse av egenskaper.

    1) vid 400°C
    2) växlande böjbelastning vid 106 lastväxlingar
    3) oanvisad provstav
    4) SD (MPa)

    Hos kompaktgrafitjärn styrs de mekaniska egenskaperna liksom hos segjärn främst av grundmassans sammansättning. Ju högre perlit/ferrit-förhållandet är desto högre hållfasthet och hårdhet men desto lägre seghet erhålls. Möjlighet finns att påverka kompaktgrafitjärnets egenskaper genom tillsats av legeringsämnen.

    Koppar och tenn tillsätts vanligen eftersom dessa gynnar bildning av perlit och ökar därmed materialets hållfasthet och hårdhet. Även mangan och krom används för att öka perlithalten, men ökar risken för vitt stelnande (inslag av cementit, Fe3C) och karbider i segringsområden. Detta leder till ökad verktygsförslitning vid skärande bearbetning. För att nå bästa skärbarhet rekommenderas i vissa fall att manganhalten ligger i intervallet 0,3 till 0,45 procent och att kromhalten är mindre än 0,08 procent.

    Användningsområden

    Några exempel på anvädningsområden för kompaktgrafitjärn är cylinderhuvuden och motorblock för lastbilar. Det finns fler produkter inom fordonsindustrin som kan tillverkas av kompaktgrafitjärn. Avgasgrenrör och bromsskivor är två sådana exempel.

    Ett vanligt skäl till att kompaktgrafitjärn väljs för en produkt i stället för gråjärn är materialets högre hållfasthet. Även om värmeledningförmågan är sämre än i gråjärnet är den ändå relativt bra vilket i kombination med den höga hållfastheten ger bätte termiska utmattningsegenskaper än hos gråjärn.

    Figur 32. Motorblock tillverkat i kompaktgrafitjärn (Foto: Sintercast).

    3.3.2 Standard för kompaktgrafitjärn

    Gällande svensk och europeisk standard för kompaktgrafitjärn är SS-EN 16079:2011. Standarden klassificerar materialet i enlighet med de mekaniska egenskaperna hos materialet.

    De mekaniska egenskaperna kan utvärderas på provstavar uttagna från ämnen som är:

    • separatgjutna
    • gjutna i formen intill godset
    • vidgjutna (cast-on)
    • eller bearbetade ur gjutgodset

     

    Om hårdheten är viktig för produkten och ett krav från köparen finns möjlighet att efter överenskommelse mäta den i vald provstav eller på gjutgodset (på Brinellvårta, ”cast-on knob”, om det inte går att mäta på godset). I standarderna finns informationsvärden på hårdheten som hjälp.

    Standarden omfattar fem kompaktgrafitjärnssorter baserade på draghållfasthet och fem sorter baserade på hårdhet.

    Tabell 11. Mekaniska egenskaper enligt SS-EN 16079:2011.

    Mätningarna är utförda på provstavar bearbetade från gjutna provstavsämnen. Storleken på provstavsämnet skall vara i överensstämmelse med den aktuella väggtjocklek på gjutgodset för vilket de mekaniska egenskaperna gäller.
    Värdena gäller endast för relevant väggtjocklek30 < t ≤ 60 mm.Ytterligare relevanta tjockleksintervall är: t ≤ 30 mm och 60 < t ≤ 200 mm. Med relevant väggtjocklek avses den sektionen av gjutgodset till vilken de bestämda mekaniska egenskaperna ska tillämpas.

    I standarden finns även riktvärden som information för hållfasthetsegenskaper i prover tagna ur gjutgodset. I dagsläget finns endast värden för relevant väggtjocklek ≤ 30 mm.

    Det finns även en ISO-standard för kompaktgrafitjärn från 2006, ISO 16112:2006. Det finns flera skillnader mellan den och SS-EN 16079:2011 bland annat kring olika strukturkrav, strukturutvärdering och rekommenderade provstavsämnen i relation till väggtjockleken.

    3.3.3 Kompaktgrafitjärnets struktur

    Grafitformen i kompaktgrafitjärn liknar gråjärnets fjällgrafit med avseende på dess nätformade utbredning genom grundmassan, men grafiten i kompaktgrafitjärn är knubbigare med avrundade ändar likt segjärnets grafit.

    Kompaktgrafitjärnets koralliknande grafitform ger god vidhäftning mellan grafiten och grundmassan, vilket ökar hållfastheten jämfört med gråjärn.

    Figur 33. Grafitens uteseende i kompaktgrafitjärn betraktat i ljusmikroskop i polerat och oetsat tvärsnitt. 100X (OCC).
    Figur 34. Svepelektronbilder visande grafitutformningen i (från vänster) ) gråjärn, kompaktgrafitjärn och segjärn i polerade tvärsnitt (Foto: SinterCast).

    Strukturkrav och bedömning enligt SS-EN 16079:2011
    Krav beträffande grafitutformning i kompaktgrafitjärn är att andelen kompaktgrafit (form III enligt EN ISO 945-1) skall uppgå till minst 80 procent. Resterande andel skall bestå av grafit av form IV, V eller VI. Kund och tillverkare kan komma överens om en lägre mängd kompaktgrafit, men den skall inte vara lägre än 70 procent. Ingen fjällgrafit (form I och II) får förekomma, eftersom redan en liten halt sänker hållfastheten avsevärt.

    Grafitstrukturen skall verifieras genom metallografisk undersökning enligt EN ISO 945-1 på prover som tagits ut från överenskomna lägen. I SS-EN 16079:2011 finns referensbilder för att underlätta bedömningen av mängden kompaktgrafit. För att kunna jämföra proverna har man infört begreppet ”vermikularitet” (jämför ”nodularitet” för segjärn).

    ”Vermikulariteten” definieras genom ekvationen:

    Xvermic = Vermikularitet
    Nvermic = Antal grafitpartiklar av form III
    Ngraphite, tot = Totala antalet grafitpartiklar
    Anm. Partiklar med en maximal axiell längd < 10 µm, skall inte räknas. Bestäms som det maximala avståndet mellan två punkter på partikelns omkrets, när partikeln är inskriven i en cirkel.

    När bildanalys används för utvärdering av grafitstrukturen skall en överenskommelse träffas mellan tillverkare och köpare om använd metod och uppsättning av parametrar.

    För utvärdering av andelen kompaktgrafit med bildanalys skiljer sig metoder åt i SS-EN 16079:2011 och i den internationella materialstandarden ISO 16112:2006. I SS-EN standarden sker, som framgår ovan, utvärderingen baserad på antalet partiklar och i ISO 16112:2006 utvärderas andelen baserad på grafitens area.

    3.3.4 Framställning av kompaktgrafitjärn

    Kompaktgrafitjärn framställs genom att man till en järnsmälta med låg svavelhalt strax innan avgjutningen tillsätter en mycket noggrant avvägd mängd magnesium i form av en ferrokiselmagnesiumlegering. Detta tillvägagångssätt är i princip det samma som vid segjärnstillverkning.

    För att man skall få segjärn krävs normalt en magnesiumhalt av lägst cirka 0,03 procent i slutprodukten. När det gäller magnesiumhalten i kompaktgrafitjärn finns en betydligt lägre undre gräns (cirka 0,009 procent) och övre gräns. Den övre gränsen är något mer flytande men brukar anges till cirka 0,012 procent för att önskad grafitutformning skall erhållas. Processfönstret för att kompaktgrafitjärn skall erhållas är således mycket snävt, vilket ställer höga krav på processtyrningen. Eftersom det inte enbart är magnesiumhalten som påverkar grafitstrukturen utan även andra parametrar som till exempel kärnbildningen används idag avancerad datoriserad termisk analys för att styra processen, se avsnitt 3.1.2 för mer detaljerad information.

    Figur 35. Magnesiumhaltens inverkan på grafitformen från fjäll till kompakt (CG) och slutligen sfärisk (nodul).

    Förr tillsattes en liten mängd titan, 0,05 – 0,10 procent, för att intervallet för tillverkning av kompaktgrafitjärn skulle vidgas. Samtidigt som tillsatsen av titan förhindrar bildandet av grafitnoduler erhålls mycket hårda partiklar av titanföreningar som försämrar materialets skärbarhet. I vissa fall används ändå titan och då för att förbättra nötningsbeständigheten.

    Framställning av kompaktgrafitjärn är en process som kräver stor noggrannhet för att önskad grafitstruktur skall erhållas. Svårigheter att styra grafitstrukturen har varit en orsak till att kompaktgrafitjärnet inte fick den användning som man förutspådde när materialet introducerades. Det är först i början av 2000-talet som tekniken utvecklades för att styra storskalig produktion av kompaktgrafitjärn. Tekniken baseras på avancerad termisk analys.