Segjärn med ännu bättre egenskaper uppmärksammas inte?

Segjärn utvecklades strax efter andra världskriget då det upptäcktes att en tillsats av magnesium till gjutjärn omvandlade grafiten från dess karaktäristiska fjällform i gråjärn till partiklar som var nära inpå sfäriska (noduler). Därigenom kunde gråjärnets sprödhet vid dragbelastning elimineras. Segjärn uppvisar hållfasthet vid dragprovning i nivå med maskinstål samtidigt som det behåller till stor del gråjärnets positiva karaktäristik såsom god skärbarhet, förmågan att dämpa vibrationer samt låg vikt (ca 10 % lättare än stål).

Efter det initiala genombrottet skedde utvecklingen av segjärn i ganska maklig takt. Utgående ifrån en typisk analys för gråjärn kom man underfund med att för bästa egenskaper bör halterna fosfor, svavel och mangan begränsas. Därmed fodrar tillverkning av segjärn bättre kontroll av råvaror än gråjärn. Vanligast segjärnstyp idag är normerade med beteckning GJS-500-7 i form av gjutgods (enligt EN 1563) eller GJS-500-7C som stränggjutgods (enligt EN 16482).

Siffran ”500” avser den minsta nivån av brottgräns i N/mm2 medan ”7” hänvisar till den lägsta förlängning i % vid dragprovning. Genom glödgning kan GJS-500-7 konverteras till GJS-400-15 eller GJS-400-18, d v s förlängningen (och även slagsegheten) förbättras på bekostnad av nivån på brottgräns (och hårdhet). De numera utgångna SS-beteckningarna för GJS-500-7 och GJS-400-18 är 14 07 27 resp. 14 07 17.

GJS-500-7 är visserligen det vanligaste segjärnet men är den bäst?

Idag överstiger världsproduktionen av gjutjärn ca 100 miljoner ton varav segjärn svarar för ungefär hälften och det är GJS-500-7 eller liknande som dominerar. Det är då anmärkningsvärt att den enskilt största förbättringen av segjärn sedan materialet uppfanns tycks har gått nästan obemärkt förbi förutom hos en skara upplysta användare. Materialet i fråga är segjärn med kiselhalten förhöjd till mellan 3,5 och 4,5 vikt procent att jämföras med den normala nivån 2,5% i typ GJS-500-7. Effekten av den förhöjda kiselhalten är att undertrycka beståndsdelen i mikrostrukturen som kallas för perlit (blandning av järn och järnkarbid).

I GJS-500-7 bidrar perliten i hög grad till materialets hållfasthet och hårdhet. Den högre halten av kisel i det nya segjärnet medför en härdningseffekt som kompenserar för avsaknaden av perlit så att hållfastheten och hårdheten ändå blir likvärdig. I EN 1563 och EN 16482 har segjärn med förhöjd kiselhalt standardiserats, t ex GJS-500-14 resp. GJS-500-14C. Sverige var tidigt ute med standardisering av hög kiselhaltigt segjärn och GJS-500-14 betecknades i dåvarande svensk standard som 14 07 25 som nu har utgått.

GJS-500-14 innehåller mindre perlit som medför jämnare hårdhet och bättre skärbarhet

Som redan har nämnts innehåller det förhärskande segjärnet GJS-500-7 perlit vars halt varierar en hel del men som kan uppta hela 50 - 60% av mikrostrukturen utanför grafitnodulerna (figur 1). 

Figur 1: GJS-500-7 segjärn illustrerande den stora variationen i halten perlit som är möjlig.

Å andra sidan är perlithalten i segjärn med förhöjd kiselhalt, GJS-500-14 and GJS-500-14C, nära inpå noll (figur 2 att jämföras med figur 1).

Figur 2: GJS-500-14 segjärn, så gott som ingen perlit synlig.

Eftersom perlit påverkar järnets hårdhet i proportion till dess mängd i mikrostrukturen karaktäriseras GJS-500-7 av ganska stora skillnader i hårdhet i paritet med olika halter perlit som i sin tur påverkas av svalningsbetingelser (dimension, yta kontra centrum) och variationer i inokulering och kemisk analys.

I jämförelse uppvisar GJS-500-14 mycket mindre hårdhetsvariation eftersom det saknar perlit. Denna skillnad illustreras tydligt av resultaten i figur 3 som anger hårdhetsvariationen längs båda diagonaler i ett tvärsnitt av en stränggjuten stång med dimension 220 x 180 mm. Om man bortser ifrån de extrema ytliga värden (som ändå ligger inom bearbetningsmån) är spridningen i hårdhet för GJS-500-14C endast 10 HBW att jämföras med 30 HBW för GJS-500-7C.

Figur 3: Hårdhetsvariation längs diagonaler av stränggjuten stång med dimension 220 x 180 mm. De vertikala streckade linjerna anger bearbetningsmån.

I sina bästa stunder uppvisar GJS-500-7 god skärbarhet så länge perlithalten hålls låg. Däremot kan problem med skärande bearbetning uppstår till följd av skillnader i perlithalt mellan sektioner av varierande tjocklek i gjutgods eller mellan yta och centrum i stränggjuten stång (se figur 3). Perlithaltens inverkan på skärbarhet kan skönjas av figur 4 som avser svarvning med belagd hårdmetall (K10).

Figur 4 Inverkan av perlithalt och hårdheten på skärbarheten (svarvning) av stränggjutet segjärn - skärdjup 2 mm, matning 0,25 mm/varv, 8% emulsion skärvätska, 0,3 mm fasförslitning efter 30 minuters ingreppstid.

Vid en given hårdhet har GJS-500-7 och GJS-500-14 ungefär samma skärbarhet. Till exempel, vid HBW = 200 är V30 lika med drygt 300 m/min. Problemet med GJS-500-7 är att perlithalten kan stundtals uppgå till 60% vilket motsvarar ca 240 HB och V30-värdet då faller till närmare 200 m/min. Materialet upplevs som svårbearbetat. Å andra sidan GJS-500-14 med mycket liten hårdhetsvariation karaktäriseras av konsekvent god skärbarhet.
En studie, som genomförts av Gjuteriföreningen i samarbete med Volvo och Chalmers Tekniska Högskola, demonstrerar vilka vinster i form av tidsbesparing för maskinbearbetning av formgjutna detaljer som kan erhållas genom en övergång från konventionellt GJS-500-7 till GJS-500-14 med förhöjd halt kisel och mycket mindre variation i hårdhet. Resultaten från denna undersökning sammanfattas i tabellen nedan.

Tidsbesparingen uppstår till följd av att GJS-500-14 materialet kunde bearbetas med högre hastighet än GJS-500-7. Självklart är en förutsättning att maskinen har kapacitet att bearbeta med den högre hastigheten.

I listan som följer sammanfattas erfarenhet kring vilken ungefärlig ökning av bearbetningshastighet som är möjlig till följd av att GJS-500-7 ersätts med GJS-500-14 för en given uppsättning verktyg/maskin.

• Svarvning, grov och fin, + 25 - 35%.
• Borrning, + 25 - 50%.
• Fräsning, grov och fin, + 20 - 30%.
• Delning och spårbearbetning, + 20%.

GJS-500-14 erbjuder även andra fördelar gentemot GJS-500-7

Väger ännu mindre

I jämförelse med stål utgör den lägre tätheten hos segjärn (och faktiskt för gjutjärn i allmänhet) en signifikant fördel. Skillnaden i täthet har sin grund i närvaron av 10 - 12% grafit med täthet 2,1 kg/dm3 att jämföras med stål utan grafit som väger 7,85 kg/dm3. GJS-500-7 har täthet ca 7,1 kg/dm3, d v s 9,5% lättare än stål. Men GJS-500-14 karaktäriseras av ytterligare lägre täthet av två anledningar; mängden grafit är större tack vara avsaknaden av perlit samtidigt som halten av det lätta elementet kisel är högre. En överslagsberäkning indikerar att GJS-500-14 har täthet 7,0 kg/dm3 eller 11% lägre än stål.

Bättre mekaniska egenskaper

Som siffran ”500” antyder har GJS-500-7 och GJS-500-14 ungefär samma brottgräns. Däremot karaktäriseras vid dragprovning GJS-500-14 av ca 25% högre sträckgräns. Vad avser brottgräns kompenseras avsaknaden av perlit i GJS-500-14 av den högre halten kisel men till skillnad från perlit inverkar förhöjd kisel positivt även på sträckgränsen. Därmed är förhållandet mellan brott- och sträckgräns lägre för GJS-500-14 än för GJS-550-7 vilket leder till att förlängningen i det förstnämnda fallet är 50 - 100% bättre.

Den högre sträckgränsen för GJS-500-14 är av betydelse då, som ofta är fallet, en konstruktion är dimensionerad enbart för belastning i det elastiska området och sträckgränsen utgör den tillåten övre nivå för spänning.

Förhöjd korrosionsbeständighet speciellt vid förhöjda temperaturer

Segjärn innehållande ca 4% kisel i kombination med molybden är ett etablerat materialval för avgas- och turbogrenrören i dieselmotorer. Materialet uppvisar en god kombination av hållfasthet och oxidationsbeständighet upp till 700°C. Resistensen mot skalning/oxidation härstammar från ett skyddande skikt av kiseloxid (kvarts) som bildas intill järnet. Eftersom ett sådant skikt uppkommer då kiselhalten i järnet överskrider 3% kan GJS-500-14 uppvisa bättre beständighet än GJS-500-7 mot högtemperatur korrosion vilket kan vara av betydelse i applikationer involverande exponering mot förhöjda temperaturer.

Sammanfattning och slutord

Segjärn är ett intressant material som erbjuder ett antal fördelar i jämförelse med stål inte minst lägre vikt. Det dominerande segjärnet i Europa, GJS-500-7, fungerar bra i många applikationer men lider av nackdelen att skärbarheten ibland kan upplevas ojämn. Dock under de senaste tjugo åren har det funnits ett alternativ, GJS-500-14, som skiljer sig genom en förhöjd halt av kisel.

Trots att det är bevisat utan allt tvivel att GJS-500-14 har betydligt bättre och jämnare skärbarhet samtidigt som materialet erbjuder ytterligare ett antal fördelar gentemot GJS-500-7 har denna förbättrat segjärn inte fått genomslaget på marknaden man kunde förvänta sig. Och det kan inte vara fråga om kostnad. Kisel är trots allt en relativt billig legeringstillsats.
Förhoppningsvis kommer detta inlägg att höja medvetenheten om fördelarna med GJS-500-14 och att flera användare av GJS-500-7 känner sig manad att överväga det förbättrade materialet som alternativ.