3.1.1.2 Optimering av ympningsprocessen

Ympning avser att tillföra kärnbildare för kristallisationen av kol till grafit. Kärnbildarna har olika effekt och verkningstid beroende på ympmedlets sammansättning. Inget av detta kan kvantifieras med kemisk analys och för att kunna optimera ympningen måste man kunna mäta effekterna.

En praktisk metod är termisk analys där ett prov får stelna i en standardiserad provkropp under mätning av tid och temperatur i centrum av provkroppen. För att testa effekten av olika ympmedel måste provkroppar utan tillsats av tellur användas. Den termiska analysen skall ju visa hur grafitutskiljningen sker. (Provkroppar med tellur gör att allt kol utskiljs som cementit).

När kol, som är löst i smältan, kristalliserar och bildar grafit i form av fjällgrafit, kompaktgrafit eller noduler frigörs latent värme. Den latenta värmen (stelningsvärmet) för grafit är hög –cirka 3600 Joule/gram – jämfört med austenit – cirka 210 Joule/gram – som också utskiljs vid det eutektiska stelnandet.

En överslagsberäkning visar att man med termisk analys kan mäta utskiljning av grafit med ganska stor noggrannhet. Smältan i en provkropp (Typ Elektronite) väger ungefär370 gram. Specifika värmet för gjutjärn vid den eutektiska temperaturen är ungefär 0,8 J/g/C. Om vi antager att 1 gram kol bildar grafit så kan den teoretiska temperaturökningen beräknas till cirka 12 grader (3600/(0.8*370)). Mätnoggrannheten med kommersiella termiska analyssystem är cirka +/- 1,2 grader vilket medför att man skulle kunna detektera utskiljning av 0,1 gram grafit. Den totala mängden eutektisk grafit för en gråjärnslegering med en kolhalt av 3,4 procent är cirka 1,4 procent (resten är löst i austenit) vilket motsvarar 5,2 gram i provkoppen. Upplösningen blir då runt två procent (0.1*100/5.2) vilket torde vara fullt tillräckligt för att kunna avläsa skillnader vid provning av olika ympmedel. Den viktigaste delen av svalningskurvan för att testa olika ympmedel är den lägsta temperaturen vid det eutektiska stelnandet TEu (Temperatur Eutektisk undre). Desto lägre TEu är innan stelnandet börjar desto större är underkylningen. Större underkylning innebär allt sämre ympeffekt. Vid hög underkylning så att TEu närmar sig den vita eutektiska temperaturen (TEV Temperatur Eutektikum Vit) finns risk för bildning av cementit.

En annan metod är att gjuta ett så kallat. kilprov. Efter gjutning bryts kilen på mitten så att strukturen framträder. I kilens spets är svalningshastigheten mycket hög vilket gör att kolet oftast utskils som cementit. Längre bort från spetsen minskar svalningshastigheten och det bildas en melerad zon av cementit och grafit vilken succesivt övergår till en ren grafitisk zon. Genom att mäta djupet på cementitzonen får man ett mått på kärnbildningen. Den termiska analysen har fördelen att den är oberoende av vem som utför den samt att den ger mer information om hela utskiljningsförloppet av grafit fram till att smältan stelnat helt och solidustemperaturen uppnåtts.

Sambandet mellan svalningshastighet, svalningskurva och kilprov framgår av nedanstående illustration.

Ympningsmetod

Vid optimering av ympmedel måste man ta hänsyn till ympningsmetoden och hur avgjutning sker. Om ympning sker direkt i gjutstrålen eller i gjutformen så behöver man inte beakta avklingningseffekten. Vid skänkympning är avklingningseffekten en väsentlig faktor beroende på hur länge gjutningen varar. Ibland kan det vara nödvändigt att anpassa mängden i gjutskänken så att avgjutning kan ske innan avklingningen gått för långt. Skillnad i avklingningstid kan vara ganska stor beroende på ympmedlets sammansättning och gjuttemperatur. Oftast sker ympningen genom tillsats av en fast procentuell tillsats av det ympmedel som man funnit vara optimalt med hänsyn till effekt och ekonomi. I praktiken varierar kärnbildningen i basjärnet beroende på variation i chargen och smältsättet. Därför måste man använda en ympmedelsmängd som är tillräcklig även när kärnbildningen i basjärnet är lägre än normalt. Med hjälp av termisk analys kan man då och då mäta kärnbildningen i basjärnet och anpassa ympmedelsmängden. Detta kallas ”dynamisk ympning” och finns implementerat i ATAS-systemet. Effekten är en lägre förbrukning av ympmedel samt att överympning undviks.

 

Optimeringsmetod

För att finna en optimal ympprocess måste man ta hänsyn till många olika faktorer. Idealt är att på ett standardiserat sätt testa olika ympmedel och studera effekten med hjälp av termisk analys och strukturkontroll med mikroskopi.

Ett lämpligt sätt är att använda en skänk som rymmer cirka fem kilo och i den göra en markering så att man får samma mängd varje gång. Ett lämpligt termiskt analyssystem samt provkoppar utan tellur måste också finnas. Vid provning kan man väga upp lämpliga mängder som till exempel 5 gram som då motsvarar 0,1 procent av den totala mängden.

Vid provning fylls först ett kilo i skänken och därefter tillsätts ympmedlet i strålen. Därefter gjuter man provkroppen och svalningskurvan registreras.

Det första kriteriet är att hitta det ympmedel som har bäst effekt med lägsta tillsats. Detta kan göras genom att studera ökningen av den undre eutektiska temperaturen (TEG) vid olika ympmedelsmängder. När TEG inte längre ökar har man funnit den optimala mängden. Metoden framgår av nedanstående diagram:

Ympmedel A nådde optimal effekt vid en tillsats av 0,15 procent medan det behövdes 0,2 procent för ympmedel B. Ympmedel A var dessutom gynnsammare eftersom jämnviktstemperaturen för TEG var högre.

Om ympning sker i en skänk och gjutningstiden är lång så bör man även studera avklingningstiden. Detta sker genom att man gjuter prover med de optimala tillsatser man funnit för respektive ympmedel vid olika tidpunkter. Det termiska analyssystemet måste vara utrustad med minst två provstationer eftersom provtiden är ungefär fyra minuter.

I illustrationen avklingar ympmedel B märkbart redan efter 5 minuter medan ympmedel A har god effekt i upp till 9 minuter. Om ympmedel B används vid skänkgjutning och gjutningen pågår längre än 5 minuter så finns risk för cementitutskiljning. En annan negativ effekt är att den verkliga eutektiska punkten flyttas åt höger i fasdiagrammet eftersom TEG sjunker. Resultatet blir att legeringen blir alltmer undereutektisk med större risk för makrosugningar. Detta gäller speciellt för segjärn.

 

Val av ympmedel

De flesta ympmedel består av en ferrokisellegering (FeSi) med cirka 65 till 75 procent kisel. Hög kiselhalt gör att legeringen löser sig lätt och blir exotermisk. En ren FeSi legering har visat sig ha dålig ympeffekt. Små tillsatser av olika legeringsämnen påverkar ympeffekten. Vanliga tillsatser är aluminium (Al), kalcium (Ca), barium (Ba), vismut (Bi), cerium (Ce), lantan (La), strontium (Sr), och zirkon (Zr). I vissa fall används sällsynta jordartsmetaller (vanligen benämnda REE efter engelskans Rare Earth Elements) som ofta består av cerium och lantan.

Samtliga tillsatser gör att risken för cementitbildning reduceras. En mängd olika kommersiella ympmedel finns där man kombinerat två eller flera av legeringsämnena för att ge speciella effekter. För segjärn finns speciella ympmedel som innehåller svavel, syre och i en del fall cerium. Ympmedlet ger en jämn grafitutskiljning över stelnandet så att grafitexpansionen har effekt även i stelnandets slutskede vilket förhindrar uppkomst av mikrosugningar. Ympmedel som ger ett högt nodultal och en stor andel små noduler är ett tecken på att kärnbildningen och därmed expansionen pågått gradvis med succesivt nybildning av noduler under hela stelningsförloppet.

Aluminium är viktig för kärnbildning, speciellt i gråjärn. Aluminiumhalten bör vara 0,005 - 0,1 procent i det färdig järnet. Ympmedel som innehåller aluminium kan användas om man vill öka halten på ett kontrollerat sätt. Ympmedel innehåller ofta 0,5 - 4 %. Observera att för hög aluminiumhalt (>0.1 %) måste undvikas eftersom det ökar risken för vätebaserade stickblåsor (pinholes) vid gjutning i råsandsformar.

Barium har en god effekt både för grå- och segjärn. Effekten är gynnsam för gråjärn med låg svavelhalt (<0.05 procent). Halten brukar vara mellan 1 – 3 procent i kommersiella ympmedel. Barium reducerar avklingningstiden och passar därför bra vid skänkgjutning där det kan ta lång tid innan alla gjutformar fyllts.

Vismut används i vissa ympmedel för att öka nodultalet och för att minska sugningstendensen.

Kalcium förekommer i halter mellan 0,1 till 3 procent. Hög andel gör att slagg lätt bildas vilket gör att ympmedel med hög kalciumhalt inte bör användas för strålympning.

Cerium förekommer i en del ympmedel för segjärn. Halter på 1 – 2 procent är vanligt. I högre halter kan cerium ge upphov till primärcementit och chunky grafit i segjärn.

Lantan i halter på upp till 1 procent har för segjärn visat sig vara effektivt för att minska risken för primärcementit och även för att minska risken för sugningar.

Strontium i halter mellan 0,5 och1 procent ger en kraftig reduktion av cementitbildning samtidigt som antal eutektiska celler inte ökar speciellt mycket vid ympning. Vid gjutning med gråjärn är detta gynnsamt eftersom det minskar risken för sugningar. Ympmedel med strontium är ganska rena och passar därför även vid strålympning. För full effekt vid gråjärn är det viktigt att svavelhalten är minst 0,06 procent. Vid lägre svavelhalter finns ympmedel där strontium kombinerats med zirkonium.

Zirkonium passar för gråjärn med svavelhalter högre än 0,04 procent och även för segjärn. En annan effekt är att Zirkonoim förenar sig med kväve och bildar zirkonnitrid vilket gör att risken för kväveblåsor (kommablåsor) minimeras i gråjärn.

 

Val av kornstorlek och tillsats

Kornstorleken väljs med hänsyn till tillsatsmetoden.  Om tillsatsen sker genom strålympning bör en kornstorlek mellan 0,2 och 0,7 millimeter väljas. Tillsatsen är normalt mellan 0,1 och 0,15 procent.

För skänkympning brukar man välja en kornstorlek mellan 1 och 2 millimeter för mindre skänkar (<500 kg) och 2 och 5 millimeter för större skänkar. Tillsatsen är normalt 0,15 till 0,25 procent för gråjärn och 0,2 till  0,4 procent för segjärn.

 

Defekter orsakade av felaktig ympning.

Felaktig ympning kan resultera i olika typer av gjutgodsdefekter:

  • För stor mängd ympmedel med hög andel kalcium kan ge upphov till slaggliknande inneslutningar.

  • Överympning av gråjärn med ympmedel som ökar celltalet kan medföra risk för sugningar.

  • Överympning av segjärn kan resultera i kluster av små noduler.

  • För kraftig ympning av gråjärn kan resultera i inträngningar i ”hot-spots” i formsanden.

  • Ympning med för grovkornigt ympmedel och eller ympning vid för låg temperatur (<1300 C) kan resultera i inneslutningar av ympmedel. Kan ge problem vid bearbetning.

  • Felaktig inställning av automtisk strålympning kan resultera i att ympningen startar för tidigt och/eller avslutas långt efter att avgjutningen är klar vilket kan resultera i att ympmedel sprids på överdelen av formen. Ympmedlet blandas sedan i formmassan och kan ge upphov till ytdefekter på gjutgodset.

  • Ympmedel med för hög andel aluminium kan ge upphov till ”pinholes” speciellt vid gjutning i råsandsformar.

  • Ympmedel kan variera från leverans till leverans. Kornstorlek och sammansättning kan variera. Som en kvalitetssäkringsrutin bör ympmedlet kontrolleras genom att ett prov kontrolleras med termisk analys.

2119