3.4.1 Konventionella och lösningshärdade ferritiska segjärn

De segjärn som ingår i denna del är indelade i två grupper:
1        konventionella ferritiska, ferrit/perlitiska och perlitiska segjärn
2        lösningshärdade ferritiska segjärn

Standard för dessa segjärn är SS-EN 1563:2012.

De två grupperna representerar var för sig särskilda egenskaper, exempelvis:

  • De ferritiska materialen i grupp 1 har den högsta slagsegheten.

  • De perlitiska och ferrit/perlitiska materialen i grupp 1 är mer lämpade för produkter med högre hållfasthetskrav och slitstyrka.

  • De lösningshärdade ferritiska segjärnen har vid motsvarande brottgräns en högre sträckgräns och högre töjning än den hos de ferritiska att perlitiska segjärnen.

  • En väsentlig egenskap hos de lösninghärdade ferritiska segjärnen är den låga spridningen i hårdhet som resulterar i en förbättrad skärbarhet.

Standarden omfattar tretton konventionella segjärn och tre lösningshärdade ferritiska segjärn baserade på draghållfasthet (se tabeller nedan). Materialbeteckningen bygger på minimum för de mekaniska egenskaper som erhålls i gjutna prover med en tjocklek eller diameter av 25 mm. Beteckningen är oberoende av den typ av gjutet ämne som valts. De mekaniska egenskaperna är tjockleksberoende.

Tabell: Mekaniska egenskaper hos de konventionella ferritiska och ferrit/perlitiska segjärnen enligt SS-EN 1563:2012

Material-beteckning

 

Rp0,2 (MPa)

Min.

Rm (MPa)

Min.

A (%)

Min.

EN-GJS-350-22-LT

EN-GJS-350-22-RT

EN-GJS-350-22

EN-GJS-400-18-LT

EN-GJS-400-18-RT

EN-GJS-400-18

EN-GJS-400-15

EN-GJS-450-10

EN-GJS-500-7

EN-GJS-600-3

EN-GJS-700-2

EN-GJS-800-2

EN-GJS-900-2

210

220

220

230

250

250

250

-1)

300

360

400

-1)

-1)

330

330

330

380

390

390

390

-1)

450

600

700

-1)

-1)

18

18

18

15

15

15

14

-1)

7

2

2

-1)

-1)

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.
Angivna värdena gäller endast för relevant väggtjocklek 30 <t ≤ 60 mm. Med relevant väggtjocklek avses den sektionen av gjutgodset till vilken de bestämda mekaniska egenskaperna ska tillämpas. Ytterligare relevanta tjockleksintervall är: t ≤ 30 mm och 60 < t ≤ 200 mm
De material i tabellen om har tillägget RT (rumstemperatur) eller LT (låg temperatur) kan levereras med slagseghetskrav, men kräver särskild överenskommelse vid beställningen. Med RT menas provning vid 23 ± 5 °C och LT vid -20 ± 2 °C eller -40 ± 2 °C.
1) Värden efter överenskommelse mellan tillverkare och köpare.

 

Tabell: Mekaniska egenskaper hos lösningshärdade ferritiska segjärnen enligt SS-EN 1563:2012

Material-beteckning

 

Rp0,2 (MPa)

Min.

Rm (MPa)

Min.

A (%)

Min.

EN-GJS-450-18

EN-GJS-500-14

EN-GJS-600-10

340

390

450

430

480

580

14

12

8

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.
Angivna värdena gäller endast för relevant väggtjocklek 30 <t ≤ 60 mm. Med relevant väggtjocklek avses den sektionen av gjutgodset till vilken de bestämda mekaniska egenskaperna ska tillämpas. Ytterligare relevanta tjockleksintervall är: t ≤ 30 och t > 60 mm.  I standarden finns även riktvärden för hållfasthetsegenskaper mätta på prover tagna ur gjutgodset för relevant väggtjocklek t ≤ 30, 30 < t ≤ 60 och 60 < t ≤ 200 mm.

 

Då hårdheten är av intresse finns riktvärden till hjälp, se tabellen nedan. Detta gäller främst för serieproduktion av gjutgods, där det är möjligt att uppnå önskat antal mätningar.

Tabell: Riktvärden för hårdheten hos segjärn enligt SS-EN 1563:2012 Annex C.

Material-beteckning

 

HBW

t ≤ 60 mm

HBW

60 < t ≤ 200 mm

EN-GJS-350-22

EN-GJS-400-18

EN-GJS-400-15

EN-GJS-450-18

EN-GJS-450-10

EN-GJS-500-14

EN-GJS-500-7

EN-GJS-600-10

EN-GJS-600-3

EN-GJS-700-2

EN-GJS-800-2

EN-GJS-900-2

< 160

130 – 1751)

135 - 1801)

170 - 200

160 - 2101)

185 - 215

170 - 2301)

200 - 230

190 - 2701)

225 - 3051)

245 -3351)

270 - 3601)

< 160

130 – 1751)

135 - 1801)

160 - 190

160 - 2101)

170 - 200

150 - 2301)

190 - 220

180 - 2701)

210 - 3051)

240 -3351)

270 - 3601)

Mäts på provstavar bearbetade från gjutna provstavsämnen eller på gjutgodset. Storleken på provstavsämnet skall vara i överensstämmelse med den aktuella väggtjocklek på gjutgodset för vilket de mekaniska egenskaperna gäller.
I tabellen ges Brinellhårdheten (HBW) för två relevanta väggtjockleksintervall. Med relevant väggtjocklek avses den sektionen av gjutgodset till vilken de bestämda mekaniska egenskaperna ska tillämpas.
1) Genom överenskommelse mellan tillverkaren och köparen kan ett snävare intervall väljas, ett toleransintervall på mellan 30 och 40 Brinell är allmänt acceptabelt. Detta hårdhetsområde kan vara bredare för kvaliteter med en ferrit-perlitisk grundmassa.

 

Då hårdheten krävs i tillägg till draghållfastheten rekommenderas att använda en utvärderingsprocedur som finns i SS-EN 1563:2012, Annex C. Den används för att bestämma maximal och minimal hårdhet för det material som anges av dess hållfasthetsegenskaper i enlighet med tabell för materialegenskaper enligt ovan.

 

Axelkåpa till anläggningsmaskin, vikt 450 kg. Tillverkad i ferritiskt lösningshärdat segjärn EN-GJS-500-14.

 

Allmänna egenskaper

I samtliga segjärnstyper (inklusive låglegerade ferritiska segjärn för högtemperaturtillämpningar, ausferritiskt segjärn och austenitiskt segjärn) föreligger grafiten i form av kulor (noduler) i materialets grundmassa, se följande bilder. Grafitnoduler i ferritiskt segjärn, SS-EN GJS 400-15. Grafiten ligger i en brottyta och har delvis fallit ur.

Ferrit/perlitiskt segjärn, SS-EN GJS 500-7. Grafiten föreligger i kulform (noduler) i en grundmassa av ferrit (vitt) och perlit (grått).

 

Lösningshärdat ferritiskt segjärn, SS-EN GJS 600-10. Cekv = 4,3 % och Si = 4,2 %. Grafiten föreligger i kulform (noduler) i en grundmassa av ferrit.

 Jämfört med den spetsiga fjällgrafiten i gråjärn ger den runda grafitformen i segjärn en obetydlig spänningskoncentration och därför betydligt högre hållfasthet och seghet. Grafiten formas genom tillsats av små mängder magnesium till basjärnet. I gällande standarder för segjärn föreskrivs att grafitstrukturen huvudsakligen skall vara form V och VI i enlighet med SS-EN ISO 945-1:2008. En noggrannare angivelse kan överenskommas vid beställningen. De flesta företag föreskriver i egna specifikationer ≥ 80 procent nodularitet.

En brottförlängning på upp till över 20 procent kan erhållas i segjärn med ferritisk grundmassa. Generellt gäller liksom för andra gjutna material att segheten sjunker med ökad hållfasthet.

Segjärnets hållfasthet styrs med grundmassans sammansättning och hårdhet. I det konventionella segjärnet ger en hög perlithalt ett mer höghållfast segjärn på bekostnad av segheten. En låg perlithalt ger ett segt material med lägre hållfasthet. Perlithalten styrs i huvudsak genom den kemiska sammansättningen, vanligen med kopparhalten (läs mer under rubriken koppar längre ner).

I det lösningshärdade ferritiska segjärnet styrs hållfastheten med kiselhalten (läs mer under rubriken kisel). Fördelen med detta är förbättrad skärbarhet vid samma hållfasthet och hårdhet som de konventionella ferrit/perlitiska segjärnen. Då grundmassan är helt ferritisk uppnår man en mycket liten hårdhetsspridning. Den mindre spridningen kan ge en reduktion av bearbetningskostnaderna med upp till 10 procent vid serieproduktion. Vid kortare serier av grövre gods har praktiska prov (fräsning/borrning) visat att bearbetningstiden kan minska avsevärt, upp mot 20 procent.

 

Olika processparametrars inverkan på egenskaper i konventionellt segjärn

De olika hållfasthetsklasserna i konventionellt segjärn styrs som nämnts ovan främst av mikrostrukturen. Denna styrs i sin tur av följande tre grundfaktorer:

  • Legeringsämnen
  • Svalningshastighet
  • Grafitens täthet/fördelning

 

Inverkan av legeringsämnen

Tabellen nedan visar typiska riktvärden för kemisk sammansättning för två konventionella segjärnslegeringar.

Tabell: Riktvärden för kemisk sammansättning (i procent) för två konventionella segjärnslegeringar

Material

Kol1)

Kisel

Mangan

Fosfor

Svavel

Magnesium

Koppar

EN-GJS-400-15

EN-GJS-700-2

3,3-3,9

3,3-3,9

2,2-2,7

2,1-2,6

≤ 0,2

0,1-1,0

0,06

0,06

0,02

0,02

0,03-0,06

0,03-0,06

≤ 0,2

0,1-1,5

1) Normalt är Cekv ca 4,3.  

 

De legeringsämnen som påverkar grundmassan i första hand framgår av följande tabell.

Tabell: Några vanliga legeringsämnen som ökar mängden ferrit respektive perlit i segjärn

Ökar ferrithalten

Ökar perlithalten

Kol

Kisel

Mangan

Koppar

Nickel

Molybden

 

Kol

Med ökande kolhalt vid oförändrad kolekvivalent minskar hållfasthet och hårdhet. Erfarenhet visar samtidigt att en sänkt kolhalt i flera fall har förbättrat slagsegheten något i segjärn. Eftersom flytbarheten och grafitexpansionen ökar med ökande kolhalt hålls denna normalt så hög som möjligt.

Kisel

Ökande kiselhalt ger ökad ferrithalt och därmed sänkt hållfasthet. I ett helferritiskt material ger ökad kiselhalt en lösningshärdning av ferriten och därmed en relativ hållfasthetsökning. Med ökande kiselhalt minskar risken för cementitbildning vid stelnandet (vitt stelnande). För att nå goda slagseghetsegenskaper i exempelvis GJS-350-22-LT och GJS-400-18-LT måste kiselhalten hållas låg.

Mangan

Ökad manganhalt ger en hållfasthetsökning och sänkning av segheten genom ökad perlithalt. Tillsammans med koppar utgör mangan det viktigaste legeringsämnet för att styra hållfastheten via perlitbildning i segjärn. Man bör dock se upp med risken för cementitbildning med ökande manganhalt för speciellt tjockväggigt gjutgods som stelnar långsamt. Mangan har även en viss lösningshärdande effekt på ferriten.

Koppar

Ökad kopparhalt ger en hållfasthetsökning genom ökad perlithalt. Även perlitens lamellavstånd (perlittäthet) minskar, vilket ökar hållfasthet och hårdhet ytterligare. Jämfört med mangan har koppar den fördelen att även grafitbildning gynnas vid stelnandet och risken för cementitbildning minskar. Till viss del kan därigenom den negativa inverkan som mangan har i detta avseende motverkas.

I ferritiskt segjärn lösningshärdar koppar ferriten och påverkar därigenom hållfastheten något. Halten av koppar och mangan är låg i ferritiskt segjärn och effekten är därför marginell.

Exempel på kopparhaltens inverkan på hårdheten i konventionellt segjärn. Nivån kan variera beroende på gjuteriets övriga analys.

 

 

Nickel

Nickel ger liknande effekt som koppar vad avser perlitstabilisering, perlittäthet och lösningshärdning av ferriten.

Molybden

Ökande molybdenhalt ger liknande effekt som koppar och nickel vad avser perlitstabilisering, perlittäthet och lösningshärdning av ferriten. Molybden används ofta i ausferritiskt segjärn med grövre sektioner eftersom härdbarheten ökar.

Fosfor

Fosforhalten skall vara så låg som möjligt och får inte överstiga 0,06 procent eftersom det har en negativ inverkan på seghet och slagseghet. I praktiken ligger halten oftast under 0,02 procent.

Övrigt

Flera av de ovan angivna legeringsämnena ökar härdbarheten och används därför vid ausferritisk värmebehandling och seghärdning. Svalningshastighetens inverkan på grundmassa och hållfasthet hos konventionellt segjärn
Vid ökande svalningshastighet från austenitområdet ner till avslutad perlitomvandling ökar perlithalten i segjärn. Grövre segjärnsgjutgods svalnar naturligt långsammare, vilket medför att ferrithalten ökar i grovt gods.

Om för höga hållfasthetsnivåer uppstår kan en för tidig uppslagning av formarna, det vill säga att det görs vid för hög temperatur, vara orsaken. En högre svalningshastighet uppstår och en ökad perlithalt erhålls.

 

Inverkan av grafitens täthet/fördelning på grundmassan och hållfasthet hos konventionellt segjärn

I samband med stelnandet bildas grafitnoduler vars storlek och fördelning påverkas av ympning, godstjocklek, gjuttemperatur och formens kylförmåga. Ju snabbare stelnandet sker utan karbidbildning och ju mer välympat järnet är, desto mindre blir storleken på grafitnodulerna, som dessutom ligger tätare ihop.

Ju tätare grafitnodulerna ligger, desto större är förutsättningarna för att erhålla ett ferritiskt segjärn Bilden nedan visar exempel på effekten av varierande godstjocklek på perlithalten och därmed också på de mekaniska egenskaperna.

Vid gjutning av grovt segjärnsgjutgods med enstaka tunna godssektioner blir grafitpartiklarna små i dessa partier och ligger tätt. Omgivande grövre gods ger en kraftig värmepåverkan på formmaterialet och på de stelnade tunna sektionerna, vilket medför att svalningshastigheten blir låg. Detta kan resultera i att de tunna sektionerna blir helferritiska och mjuka medan de grövre innehåller inslag av perlit och därmed blir något hårdare.

Inverkan av nodultätheten (st/mm2) på perlithalten för två olika väggtjocklekar. 3,5 %C, 2,45 %Si, =,3 %Mn och 0,04 %Mg.

 

Legeringsämnens inverkan på egenskaperna i ferritiskt lösningshärdat segjärn

Tabellen nedan visar typiska riktvärden för kemisk sammansättning för tre ferritiska lösningshärdade segjärnslegeringar.

Tabell: Riktvärden för kemisk sammansättning i procent för de tre standardiserade ferritiska lösningshärdade segjärnen.                       

Material

Kol

Kisel

Mangan max

Forsfor max

EN-GJS-450-18

EN-GJS-500-14

EN-GJS-600-10

1

1)

1)

3,20

3,80

4,30

0,50

<0,50

<0,50

0,05

0,05

0,05

1)  % C beräknas med hjälp av  där Cekv normalt är < 4,3%

Fördelen med denna segjärnstyp är en avsevärt förbättrad skärbarhet vid samma hållfasthet och hårdhet som i motsvarande konventionella ferrit/perlitiska segjärn. Detta beror på att grundmassan är helt ferritisk och mer eller mindre oberoende av godstjockleken, det vill säga att materialet är mer homogent. Därmed uppnår man en mycket liten hårdhetsspridning. Med de konventionella ferrit/perlitiska segjärnen fås med en varierande godstjocklek olika svalningsheter och därför stor variation i perlithalt och hårdhet

I bilden nedan visas olika legeringsämnens lösningshärdande effekt på ferrit. För denna nya typ av segjärn är kisel det ämne som är bäst lämpat för att styra hållfastheten.

Effekt av lösningshärdning i ferritiskt stål på undre på sträckgränsen.

Hållfastheten styrs med kiselhalten. I detta exempel visar diagrammet att det krävs cirka 3,7 procent kisel för att erhålla > 500 MPa i brottgräns.

 

Skärbarheten är minst lika bra som för konventionellt segjärn. Hårdheten i det konventionella GJS-500-7 kan variera från 170 till 230 HBW medan hårdhetsspridningen i motsvarande ferritiskt lösningshärdade segjärnet GJS-500-14 är avsevärt lägre. Den mindre spridningen har beräknats ge en reduktion av bearbetningskostnaderna med upp till tio procent vid serieproduktion. Verifierande försök visar på 5 – 20 procent kortare bearbetningstider och upp till 30 procent längre verktygslivslängd.B-tal som funktion av hårdheten för ferritiskt lösningshärdat segjärn, konventionellt segjärn och kompaktgrafitjärn.

 

Tabell: Resultat av HBW-mätning hos lastbilsnav (bild under tabellen), i konventionellt segjärn, GJS-500-4 och ferritiskt lösningshärdat segjärn GJS-500-14.

 

GJS-500-7

GJS-500-14

Nav H

Nav L

Nav H

Nav L

Medelvärde

±210

215

205

207

Standardavvikelse, 2s

±24

±18

±4,7

±2,7

Minvärde

172

197

200

202

Maxvärde

222

231

207

209

Max - Min

50

34

7

7

Antal mätpunkter

61

59

75

73

 

Snitt från lastbilsnav. Punkterna visar läge för hårdhetsmätning, HBW. Resultatet redovisas i tabellen ovan.

 

3061