2.2.7 Stelningskrympning och porositetsbildning

De flesta gjutlegeringar krymper under stelnandet, både i flytande tillstånd, under stelnandet och efter stelnandet. Om krympningen under stelnandet inte kompenseras med extra tillförsel av smälta uppstår materialbrist i form av sugningar eller porositeter i gjutgodset.

Krympning kommer sig av att ett material som upphettas ändrar densitet. Det betyder att den varma flytande metallen är lättare per volymenhet än den kallare solida metallen. När den metall som kommer i kontakt med verktyg eller kärnor börjar stelna ökar den lokala densiteten samtidigt som den metall som fortfarande är flytande är kvar i en lägre grad av densitet. Skillnaden gör att hela volymen saknar material vilket leder till materialbrist, sugning. Risken för sugningar är störst när smältans temperatur är hög och gjutgodset har en variation av tjocka och tunna sektioner. Genom att lokalt påverka godsanhopningar, dvs där mycket metall finns, används metalliska kylkokiller. De suger till sig värme från smältan lokalt och på så sätt kan man påverka stelningshastigheten.

Gråjärn med hög kolhalt har ofta en obetydlig stelningskrympning och kan till och med utvidga sig under stelnandet. Detta beror på att grafit utskiljs medan smälta ännu finns kvar. Eftersom grafit tar upp flera gånger större plats i fri form än när den är löst i smältan, kompenserar den metallens krympning.

De flesta typer av sugningar kan undvikas genom tillförsel av smälta under stelnandet. Detta benämns att gjutstycket matas. Gjutgodset förses med matare eller stigare. Dessa skall placeras nära den del av gjutstycket som stelnar sist. Normalt är detta den del av gjutstycket där värmecentra föreligger. Designen av den gjutna komponenten måste medge ett riktat stelnade mot värmecentra.

Med hänsyn till stelningskrympning och porositetsbildning bör man undvika att värmecentra bildas mellan områden som stelnar först och som stelnar sist. Detta görs genom att ge godset så jämn godstjocklek som möjligt och undvika godsanhopningar (figurerna 21 till 24). Vid exempelvis en hålkäl gäller att ju större radien görs ju större blir godsanhopningen. Med hänsyn till hållfastheten får radien inte heller vara för liten.

Figur 21: Olika metoder att minska värmecentra i en godskorsning.

I figur 21 tror man lätt att en kärna i en korsning enligt utförandena B och C förbättrar kylningen och därigenom minskar sugningsrisken. I verkligheten svalnar dock utförande B långsammare än A och C med ungefär samma hastighet som korsningen i utförande A. En märkbar förbättring blir det först när kärnan görs så stor som i utförande E eller om det cylindriska partiets godstjocklek minskas till 0,8T som i utförande D.

Figur 22: Invändig hålkäl  bör ha samma radie som väggtjockleken.

 

Som en allmän regel gäller att radien för en hålkäl enligt figur 22 bör vara ungefär lika med godstjockleken. För liten radie försämrar hållfastheten och en för stor radie innebär godsanhopning med risk för sugning eller porositeter.

Figur 23: Optimalt utformad T-sektion.

Man bör undvika att lägga delar av ett gjutstycke för nära varandra. De fördröjer varandras stelnande. Dessa ”grannar” påverkar dessutom spänningsbilden i gjutgodset och förorsakar ofta vridningar eller sprickor.

Figur 24: Inverkan av "grannar" av gjutgodssektioner.

I figur 24 gäller följande:

a. Avståndet A ≥ 10T.

b. Likvärdig stelningstid som i a.

c. Vid litet avstånd mellan väggarna bör innerväggarnas tjocklek minskas.

Då smältan vid pressgjutning sprutas in i formverktyget är det ofta svårt att helt undvika luftinneslutningar och porositeter i gjutgodset. Porositeter uppträder främst i godsanhopningar. Därför bör gjutgodset ha så jämn godstjocklek som möjligt.

Figur 25: Omkonstruktion för att undvika porositeter.

Vid utformning av gjutgods med hänsyn till sugningsrisken är gjutsimulering med fyllnads- och stelningsförlopp ett värdefullt hjälpmedel.

I figur 26 har detta verktyg använts för att uppnå en termisk neutral T-sektion med ett 1:2 förhållande mellan väggarna t1 och t2.

Figur 26: En termisk neutral T-sektion

1929