Gråjärn är det äldsta av gjutjärnen och fortfarande det dominerade inom materialgruppen trots att det i många konstruktioner ersatts av främst segjärn.

Gråjärn används som konstruktionsmaterial inom ett stort område då det har ett relativt lågt pris och många goda sidor till exempel bra gjutbarhet, skärbarhet (korta spånor), värmeledningsförmåga samt bra vibrations- och bullerdämpande egenskaper. Gråjärn har genom åren utvecklats mot allt högre och jämnare hållfasthet.

Användningsområdet är brett med gjutgodsvikter från några gram till flera hundra ton. Det största gråjärnsgjutstycket som gjutits i Sverige är en cylinder (150 ton) till en pappersmaskin. I tabellen nedan ges några exempel på produkter i gråjärn. 

Utöver de i tabellen nämnda gråjärnen finns två austenitiska gråjärn standardiserade (Austenitiskt gjutjärn, SS-EN 13835:2012), se avsnitt 3.7. Dessa kännetecknas av god korrosionshärdighet och värmebeständighet. Exempel på användningsområden är pumpar, ventiler och bussningar.

Tabell: Användningsområden för gråjärn. Standard enligt SS- EN 1561:2011.

SS-EN

GJL-100

GJL-HB175

GJL-200

GJL-HB195

GJL-250

GJL-HB215

GJL-300

GJL-HB235

GJL-350

GJL-HB255

Huvudsaklig

användning

Mindre påkänt gods

Maskingods

Maskingods

Bilgods

Maskin- och motorgods med höga hållfasthetskrav

Karakteristik:

Brottgräns

(MPa)

Bearbetbarhet

Minsta gjutbara godstjocklek (mm)

 

Min 150

 

Utmärkt

2,5

 

Min 200

 

God

2,5

 

Min 250

 

God

5

 

Min 300

 

Relativt god

10

 

Min 350

 

Relativt god

10

Användning:

Klent gods

 

 

 

 

 

Hushållsgods, lock, avloppsrör, kåpor, lättbearbetat maskingods

 

 

Små kompressorcylindrar, stativ, inlopps- och avgasrör, lintrummor, delar till transportsystem

 

 

Motorblock, kompressorcylindrar, cylinderhuvud, bromstrummor, bromsskivor, ventilhus, kugghjul, växellådshus

 

 

Dieselmotorblock, cylinderhuvud, trycktätt gods, kugghjul, remskivor, kopplingar

 

 

 

Lagerboxar, kam- och kurvskivor

 

 

 

 

Grovt gods

Maskingods med höga krav på bearbetbarhet, motvikter

Maskingods, cylinderfoder, oljecylindrar

Rotorstommar, turbingods, cylinderhuvud, ventilhus

Trycktätt maskingods med höga hållfasthetskrav

Maskingjutgods med högsta krav på hållfasthet

 

 

Flera av gråjärnets goda egenskaper hänger samman med dess unika mikrostruktur med stora mängder fritt kol inbäddat som fjällformig grafit i en metallisk grundmassa. Den fjällformade grafiten ger gråjärnet ett gott motstånd mot glidande nötning med liten skärningsrisk. Genom grafitens utbredda och platta form ger den gråjärnet en låg seghet, vilket är negativt ur hållfasthetssynpunkt, men underlättar avlägsnandet av ingjut och matare i gjuteriet.

Gråjärn. Grafiten föreligger i fjällform i en grundmassa av perlit. Etsad i Nital (x100).

Fjällgrafiten i gråjärn frilagd från grundmassan. 3-D skiss av Henton Morrogh, BCIRA.

 

Inverkan av kol, kisel, fosfor, svavel och mangan

Hållfasthet och hårdhet hos gråjärn bestäms för en viss godsdimension främst av kol och kisel. Diagrammet nedan visar samband mellan brottgränsen och kolekvivalenten.

Brottgränsens beroende av kolekvivalenten. Sambandet är baserat på 474 mätvärden från 14 svenska gjuterier i separatgjutna provstavsämne Ø 30 mm.
Kol (C) är den beståndsdel i gråjärn, som till största del påverkar egenskaperna. Ökande kolhalt ger en minskning av hållfasthet och hårdhet men bättre dämpningsförmåga och bättre värmekapacitet. Ökad kolhalt ger även minskad krympning.

Kisel (Si) verkar i samma riktning som kol i det avseendet att det är grafitbefrämjande och ökar mängden ferrit i grundmassan. Ökad kiselhalt ger därigenom ett mjukare material trots att kisel genom lösningshärdning av ferriten ger en hårdare och hållfastare ferrit.

Med hjälp av främst kol- och kisel kan gjutjärnets grafitiseringsförmåga regleras i önskad riktning. I princip kräver tunnare gods (= snabbare svalning) högre kol- och kiselhalt, för att undvika partiell utskiljning av cementit, det vill säga hårda ”vita” områden och kantvithet.

Fosfor (P) bildar i form av Fe3P med Fe och Fe3C ett ternärt eutektikum som kallas steadit. Detta stelnar först vid 950°C och försvårar möjligheten att göra trycktätt gods. Av denna anledning ska fosforhalten hållas låg i gjutjärn med krav på trycktäthet, t.ex. hydraulikkomponenter. Höga halter av fosfor ger dessutom en försämrad skärbarhet eftersom steaditen är hård.

Mangan (Mn) och svavel (S) förenar sig i gjutjärn och bildar mangansulfid (MnS). Denna verkar kärnbildande vid stelning och gynnar därför ett grått stelnande. Om mangan eller svavel finns i överskott främjas däremot vitt stelnande. Som tumregel används ofta följande samband för val av lägsta manganhalt:

Manganhalt = 1,7xSvavelhalten + 0,4
Svavelhalten ligger normalt i intervallet 0,06 – 0,12 procent.

 

Egenskapsförbättring genom olika legeringselement

Gråjärn legeras ofta för att höja  hållfastheten och andra egenskaper (3 och 4). Exempelvis används molybden i syfte att höja hållfastheten vid förhöjd temperatur och minska risken för termisk utmattning. Eftersom molybden är förhållandevis dyrt har det minskat i användning.

Krom är ett alternativ för att höja hållfastheten vid rumstemperatur, men risken för vitt stelnande ökar. Ofta kombineras därför en kromtillsats med koppar, som beroende på tillsats helt eller delvis neutraliserar kroms karbidstabiliserande verkan. Kroms främjande av vitt stelnande kan även reduceras genom en effektiv ympning.

Nedanstående tabell ger ett underlag för legeringsoptimering av gråjärn, med avseende på draghållfasthet vid rumstemperatur och tendensen att stelna vitt (grafitiseringsfaktor).

Tabell: Legeringsämnens inverkan på draghållfasthet (MPa) och vitstelnandetendens.                      

Legerings-ämne

Max halt (ca)

(%)1)

Förändring av Rm per 1% tillsats2) (%)

Grafitiseringsfaktor per 1% tillsats3)

Mo

Cr

Cu

Mn

Ni

Cekv

Mo/Cr 1/15)

Cr/Cu 7/35)

Cr/Cu 1/15)

Cr/Cu 3/75)

Mo/Cu 7/35)

Mo/Cu 1/15)

Mo/Cu 3/75)

1

0,5

1,5

1,5

3,0

-

1

0,7

1,0

1,5

1,4

2,0

2,1

 

+40

+20

+8

+10

+10

-204)

+30

+16

+14

+12

+30

+24

+18

 

-0,45

-0,90

+0,35

-0,33

+0,25

 

-0,68

-0,52

-0,28

-0,02

-0,20

-0,04

+0,10

1)    Max använda halter i undersökningar. I kombinationsfallen har max halter konstruerats utgående från max använda enskilda tillsatser.
2)    Enligt resultat av bland annat Gjuteriföreningens undersökningar.
3)    Grafitiseringsfaktor enligt den tidigare engelska forskningsorganisationen BCIRA.
+ avser ökande grafitiseringstendens.
– anger ökande vitstelningstendens. Kisel utgör jämförelsebas (1% Si = +1).
4)    Gäller företrädesvis utgående från ett olegerat gråjärn med Rm = 250 N/mm2 (+0,1% (Cekv) → - 20 MPa).
5)    Andel av respektive ämne för 1% tillsats.

 

Sambanden mellan aktuell legeringstillsats och förändring av hållfastheten respektive tendensen till vitt stelnande har antagits vara linjära. Vidare har antagits att samtliga effekter är additiva vid tillsats av flera legeringsämnen. I tabellen finns även några kombinationer av krom och molybden samt krom och koppar. Den sistnämnda kombinationen ger goda hållfasthetsförbättringar, samtidigt som ämnena ur synpunkten vittendens neutraliserar varandra helt eller delvis. Angivna tillsatser i kombinationsfallet avser summatillsats.

2097