3.1.1 Ympning av gjutjärnslegeringar

Genom att tillsätta ympmedel underlättas bildningen av grafit i gjutjärn. Metoden minskar dessutom risken för vitt stelnande och åstadkommer en jämnare struktur och ökad hållfasthet.

Gjutjärnslegeringar är unika eftersom järn löser kol. Genom att legera järnet med kol sänks smältpunkten och genom att kolet kan utskiljas i form av grafit minskar kontraktionen vid stelnandet. Båda dessa egenskaper gör att gjutegenskaperna är gynnsamma.

Vid stelnandet kan det lösta kolet utskiljas i form av grafit i olika former. Detta är oftast det önskvärda stelningssättet. Om svalningshastighet är hög blir det svårare för kolatomerna att diffundera i smältan och hinna bilda den stabila formen grafit. Istället bildas en kemisk förening mellan järn och kol kallad järnkarbid eller cementit med formeln Fe3C.

Cementiten som bildas vid stelnandet benämns primärcementit. ”Vitt stelnande” är en annan benämning eftersom brottytan är vitaktig. ”Kantvitt” är en annan benämning eftersom cementit lätt bildas där svalningshastigheten är högst vilket oftast är vid kanter på gjutgodset. Cementit har mycket hög hårdhet vilket gör att gjutgodset blir svårt att bearbeta. Materialets seghet och hållfasthet minskar. Gjutmässigt ökar risken för sugningar eftersom den minskning av kontraktionen som man får när grafit bildas uteblir. Hög svalningshastighet vilket oftast är fallet vid gjutning av tunnväggigt gods ökar risken för bildning av cementit. Även legeringsämnen påverkar bildningen av cementit. Krom är ett ämne som ökar risken medan kisel minskar tendensen till bildning av cementit.

Ympning innebär att man tillför kristallisationskärnor i en gjutjärnssmälta för att underlätta bildningen av grafit. De flesta ympmedel baseras på ferrokisel som legerats med olika ämnen  till exempel aluminium, zirkonium eller strontium. Ympningen utförs direkt före eller samtidigt med gjutningen genom tillsats av ett finkornigt pulver. Tillsatsmängderna varierar mellan cirka 0,1 till 0.4 procent beroende på applikation. Ympningens ändamål kan sammanfattningsvis sägas vara att:

  • Undvika vitt stelnande, det vill säga undvika bildning av primärcementit.
  • Åstadkomma en jämnare struktur och ökad hållfasthet.
  • Åstadkomma en jämnare och finare grafitutformning.
  • Öka nodularitet och nodultal för segjärn.
  • Minska tendensen för sugningar.

Den eutektiska temperaturen (TEG) för grått stelnande, det vill säga stelnande under utskiljning av grafit, är högre än för vitt stelnande (TEV) enligt illustrationen i följande bild:

 

Både den grå och den vita eutektiska temperaturen påverkas av olika legeringsämnen vilket framgår av nedanstående bild. Krom sänker TEG och höjer TEV vilket medför att risken för vitt stelnande ökar vid hög svalningshastighet. Kisel däremot höjer TEG och sänker TEV vilket gör att smältan kan tillåtas ha en betydande underkylning innan primärcementit bildas.

Den vita eutektiska temperaturen är en funktion av legeringsinnehållet och påverkas i princip inte av kärnbildningen i järnet. Den gråa eutektiska temperaturen däremot är en funktion av legeringsinnehåll och kärnbildning. Vid ympning påverkas därför den gråa eutektiska temperaturen. Temperaturen ökar genom att grafitutskiljningen vid effektiv ympning startar tidigt med minimal underkylning.

Ympningens effekt är att tillföra kristallisationskärnor till smältan så att utskiljning av grafit kan ske med ingen eller minimal underkylning. Med underkylning menas skillnaden mellan ideal eutektisk temperatur och verklig starttemperatur för det eutektiska stelnandet. För att studera stelningsförloppen används termisk analys där en smälta får stelna i en standardiserad provkropp samtidigt som man registrerar temperatur och tid så att en svalningskurva kan skapas. Bilden visar tre principiella svalningskurvor för en undereutektisk gjutjärnssmälta.

Svalningskurvorna uppvisar en platå när likvidustemperaturen (TL) uppnås och primäraustenit börjar utskiljas. Kurva A är en smälta med god kärnbildning. Underkylningen är praktiskt taget obefintlig och den gråa eutektiska temperaturen (TEG – 1) är hög. Kurva B är en smälta med sämre kärnbildning. Temperaturen måste sjunka betydligt lägre innan underkylningen är tillräcklig för att starta kärnbildning av grafit (TEG – 2). När utskiljning av grafit startar frigörs latent värme vilket medför att temperaturen ökar. Skillnaden mellan den övre och den undre eutektiska temperaturen kallas rekalesens (R). Typiska markörer för dålig ympning är en hög underkylning det vill säga låg TEG och en hög rekalesens.

Om svalningshastigheten är mycket hög och ympningen obefintlig eller om smältan exempelvis legerats med en hög andel krom kommer stelnandet att ske enligt det meta-stabila förhållandet så att kolet bildar primärcementit. Detta illustreras av kurva C. Eftersom det latenta värmet för cementit är lågt bildas ingen eller obetydlig rekalesens. Kurvan blir därför även kortare än A och B där grafitutskiljning ägt rum.

 

Vid grått gjutjärn växer grafiten i form av nästen av fjäll i direkt kontakt med smältan. Vid segjärn omges grafitsfärerna (nodulerna) som först bildas av ett hölje av austenit. Grafitatomerna som är lösta i smältan måste diffundera genom austenithöljet till grafitsfären. Detta gör att ympningsmekanismerna delvis skiljer sig vilket är förklaringen till varför vissa ympmedel passar bättre till segjärn. Magnesiumet i segjärn är en stark karbidbildare. Ofta behövs därför större mängd ympmedel för segjärn än för gråjärn. För effektiv ympning av gråjärn bör svavelhalten vara mellan 0.05 och 0.12  procent och mängden magnesium bör vara tio till tjugo gånger mängden svavel. Detta är gynnsamt för att bilda A-grafit.

Vid ympning av kompaktgrafit är ympmedelsmängden kritisk. En för kraftig ympning resulterar i att kärnbildning av noduler gynnas så att andelen kompaktgrafit minskar.

2095