Et anderledes syn på størkning af
SG-jern og jern-kulstofdiagrammet
Artiklen blev præsenteret af forfatteren på årsmødet på
Hindsgavl Slot i 2009.
Bearbejdet for Støberiet af Herbert Wolthoorn.
Indledning
Fremstilling af stål og jern var
allerede kendt i oldtiden, men
at forskellen mellem stål og jern
skyldes grafit blev først opdaget i
anden halvdel af 1700-tallet.
Det første egentlige jern-kulstofdiagram blev udarbejdet i
1899 af Sir William Chandler
Roberts-Austen, og i 1904 beskrev
Emil Heyne, at grafit er den stabile form og jenkarbid den ustabile form og introducerede det første dobbelte jern-kulstofdiagram.
Allerede dengang blev diagrammet anfægtet og betvivlet, og 100
år efter er diagrammet fortsat om-
gæret med mysterier og yderst gådefuld for mange.
Ikke alene fordi der findes et
dobbelt diagram eller det faktum,
at strukturdannelser i støbejernslegeringer næppe kan forklares
ved hjælp af diagrammet, men
også fordi der findes så mange forskellige diagrammer, for eksempel
det europæiske og amerikanske
diagram (fig. 1.)
Det nemmeste er at anvende og
fortolke de forskellige diagrammer efter de gældende regler og
forklaringer. Hvorfor risikere at
blive til grin ved at betvivle noget,
som er kompliceret og indgående
af
Cees van de Velde,
Nederland
udforsket af utallige videnskabsmænd? Baseret på mange år praktisk erfaring, resultater fra mange
strukturundersøgelse og gennemgang af mange støberitekniske
artikler er forfatteren kommet til
den overbevisning, at størkning og
strukturdannelse kan foregå anderledes end jern-kulstofdiagrammet antyder. I denne artikel forsøges denne overbevisning nærmere
belyst.
Størkning af SG-jern
Hvordan kuglegrafit helt præcist
dannes vides for så vidt ikke, men
Fig. 1. Europæisk (tv) og amerikansk (th) version af jern-kulstofdiagrammet.
STØBERIET nr. 6, 2009
5
Fig. 2a.
Karbider
Fig. 2b.
Overmætning
Fig. 2c.
Smelten
Fig. 2d.
Gasbobler
Fig. 2e.
Overfladespænding
der findes mange teorier, hvor
hhv. karbider, overmætning, smelten, gasbobler og overfladespænding lægges til grund for dannelse
af grafitnoduler, se fig. 2a-e.
I dag er især uni- og multinodularmodelteorien populær, se fig.
3a-b.
Uden at komme nærmere ind på
de nævnte teorier er den mest traditionelle opfattelse af kuglegrafitdannelse, at grafitnoduler dannes i smelten, hvis der findes grafitkimdannere, hvorpå grafitten,
som udskilles under nedkøling,
kan udfældes, se fig. 4a. Derefter
dannes austenitten, som lægger
sig omkring de voksende kim, se
fig. 4b. Den videre vækst af grafitnodulerne sker ved grafitdiffusion
gennem austinitskalen; samtidig
vokser austenitten, se fig. 4c.
Mikroundersøgelse af
SG-jern
Mikrostrukturen af grafit og
grundstruktur kan ses i et mikroslib, hvor et uætset slib viser
grafitstrukturen og et ætset slib
grafit- og grundstrukturen. Ætsning med nital (=pikrinsyre i alkohol) giver et mikrobillede, som
vi normalt forbinder med støbe-
Fig. 3a. Uni-nodular
Fig. 3b. Multi-nodular
6
STØBERIET nr. 6, 2009
Fig. 4a. Kulstof udfældes på kim
og danner begyndelse til en grafitnodul
Fig. 4b. Austenitten dannes omkring en grafitnodul
Fig. 4c. Grafitdiffusion og austenitvækst
Fig. 6. Dendritter i perlitisk SGjern
Tredimensionale
dendritter
jern, fx fig. 5.1, som viser grafitnoduler i en overvejende ferritisk
grundstruktur. Derimod giver en
såkaldt primærætsning (=varm
alkalisk ætsning) et helt andet billede, end det vi normalt er vant
til, se fig 5.2. Her vises en grundstruktur med sammenhængende
områder, som hver for sig indeholder en eller flere grafitnoduler. Disse områder åbenbarer, om
end lidt utydeligt, en dendrittisk
struktur.
Dendritter i SG-jern
Primærætsning som vist i fig.
5.2 antyder altså en dendrittisk
struktur, hvilket er ganske over-
raskende. Normalt betragtes SGjern som en eutektisk legering,
og ifølge jern-kulstofdiagrammet
burde der ikke kunne dannes, og
slet ikke mange, dendritter under
størkning. Imidlertid er forekomsten af dendritter ikke ualmindeligt eller ukendt i den praktiske
støberiverden. De fleste støberifolk har set dendritter i sugninger. Et tydeligt eksempel fremgår
af fig. 6, som viser tilstedeværelse
af dendritter i perlitisk SG-jern,
hvor en tømt støbeso er skåret
igennem. Så dendritter findes
altså i virkeligheden, og derfor besluttede forfatteren at undersøge
disse dendritter tilbundsgående.
Fig. 5. Samme slib nitalætset (1) og primærætset (2)
STØBERIET nr. 6, 2009
V=50X
Dendritter er tredimensionale og
bør derfor undersøges som rumlige objekter. Tilgang til rumlige
dendritter af en håndterbar størrelse er ikke nem. Imidlertid arbejde forfatteren i sin tid på et støberi, hvor der støbtes store stavkølere til højovne, se fig. 7. Støbevægten af disse stavkølere var
3-6 tons, og støbesoen tilsvarende
stor. Når disse soer blev fjernet
kunne der opstå tre situationer, se
fig. 8. Hvis soen fjernes lang tid efter støbning, hvor smelten er helt
størknet, brækkes støbetappen
(a), hvis soen fjernes for tidligt,
brækkes tappen ind i soen og tyktflydende smelte løber ud (b), og
hvis soen fjernes lige før smelten
er fuldstændig størknet, brækkes
støbetappen ind i soen (c), og temmelig store dendritter har kunnet
observeres i brudfladen, se fig. 9.
Fig. 7. Stavkølere til højovne; støbevægt 3000-6000 kg.
7
Fig. 8. Brækning af støbso
Fig. 10. Specialholder til mikro- og
makroundersøgelse af dendritter
Undersøgelse af
dendritter
Forekomsten af dendritter på omtalte støbetapper gjorde det muligt
på en nem måde at undersøge dendritter. Undersøgelsen kan udføres
ved hjælp af en specialholder, se
fig. 10, hvor en dendrit delvist støbes i en plastmasse, hvilket muliggør undersøgelse af både mikro- og
makrostrukturen. Det første slib
blev ætset med nital, fig. 11, og viser en perlitisk struktur med grafitnoduler af forskellige størrelser.
I det store og hele en struktur, som
kunne forventes i denne type materiale. Fig. 12 viser samme slib,
men nu primærætset, og billedet
er nu ganske anderledes. Dendritstrukturen, som totalt mangler i
fig. 11 træder nu tydeligt frem.
Position af grafit
noduler i dendritter
Vi skal huske på, at et mikrobillede af dendritter bliver todimensionalt, mens virkelige dendritter
Fig. 9. Dendritvækst
på en ø120 mm støbetap
8
Fig. 11. Slib ætset med nital
Fig. 12. Samme slib som fig. 11,
men primærætset
STØBERIET nr. 6, 2009
er tredimensionale. I et enkelt
slib vises grafitnodulernes plangeometriske orientering; noduler
findes delvist i dendritter og delvist udenfor dendritter, hvilket er
i overensstemmelse med tidligere
iagttagelser. Imidlertid kan der
opnås et godt indtryk af grafitnodulernes rumlige orientering ved
at udføre gentagne slib. Fig. 13
viser mikrobilleder af samme dendrit efter gentagne præparering af
slibet, hvor der ved hver slibning
og polering fjernes 10-50 mu.
Mikrobillederne i fig. 13. antyder, at dendritter er bygget op lagvis. Det ser ud til, at en dendrit,
som ligger parallelt med slibets
overflade, kan vise et slib, hvor
dendrittens forgreninger tydeligt
kan ses, mens det næste slib viser et mindre synligt mønster eller blot grafitnoduler omsluttet af
ferrit, og som umiddelbart synes
uden indbyrdes forbindelse. Den
samme dendrit kan altså indeholde både mono- og multigrafitnoduler, se fig. 14. Oprindelsen af
monografitnoduler er skematisk
vist i fig. 15.
En
mono-grafitnodulstruktur
optræder således i et snit gennem
en vertikal dendritgren, som indeholder en grafitnodul. En multigrafitnodulstruktur
derimod
opstår ved et snit i et horisontalt
plan gennem en dendrit. Imidlertid tilhører begge strukturer
samme dendrit. Der er derfor intet belæg for, at grafitnoduler dannes udenfor en dendrit.
Fig. 13. Gentagne slib af samme dendrit
Fig. 14. Mono- og multigrafitnoduler
STØBERIET nr. 6, 2009
Fig. 15. Struktur af mono-grafitnoduler
9
Fig. 16: To forskellige betragtninger
for grafitdannelse
Antal grafitnoduler i
en dendrit
Fig. 17. Gentagne slib af samme område
Fig. 18. “Eutektisk struktur” efter snit gennem sideforgreninger af primær austinit
10
Eftersom alle grafitnoduler findes i dendritstrukturen kunne det
være interessant at undersøge,
hvor mange noduler en enkel
dendrit kan indeholde. Et antal
isolerede dendritter og sammenklumpede dendritter blev vejet,
antallet synlige dendritter optalt
og gennemsnitvægten beregnet,
hvilket i pågældende tilfælde
var 1,2 gram pr. dendrit. Med en
vægtfylde på 7g/cm3 fås en volumen på 170 mm3. Antal noduler
målt til 150/mm2 .
Ved anvendelsen af Noguchi´s
formel er det muligt at beregne
antal noduler/mm3.
Noduler/mm3= 10,6 x (noduler/
mm2)1,35= 10,6 x 1501,35= 9184 .
En enkel dendrit har en volumen på 170 mm3 og indeholder
derfor 170x9184=1,5 mio. noduler!
I henhold til sædvanlig opfattelse er dannelse af hver enkel
grafitnodul betinget af tilstedeværelse af et grafitkim, og for pågældende tilfælde vil det betyde,
at fremstilling af 1 gram dendrit
nødvendiggør 1,0-1,5 mio kim på
rette sted på rette tid. Dette synes
nærmest umuligt at kunne være
STØBERIET nr. 6, 2009
Fig. 19: Jern-kulstofdiagram modificeret af Cees
van de Velde
sandt. Hvis derimod hver dendritforgrening kan danne mulighed
for grafitdannelse, og et enkelt
kim er tilstrækkeligt til at danne
en dendrit, kan den efterfølgende
dendritvækst med mangfoldige
forgreninger nemt producere disse
mange steder for grafitdannelse.
Forskellen mellem disse to betragtninger er forsøgt anskueliggjort i fig. 16.
Et nyt
jern-kulstofdiagram
På grundlag af disse iagttagelser
mener forfatteren, at støbejern
størkner som stål, det vil sige
dendrittisk og uden et eutektikum. Dendrittisk vækst af austenitfasen, som bestemmende
for grafittens endelige form leder
tankerne hen på, at karbidfasen
i støbejern også kunne været påvirket af dendrittisk vækst. I en
anden publikation har forfatteren
konstateret, at det eutektisk blanding af austenit og jenkarbid, det
såkaldte ledeburit, i virkeligheden
består af massiv jernkarbid, hvori
små forgreninger af autenitdenSTØBERIET nr. 6, 2009
dritter fremtræder som isolerede
småøer omgivet af en jernkarbid
fase, se fig. 17 og18.
Desuden antyder forfatteren,
at i overeutektisk hvid struktur
den typiske form af primærkarbider kun er resultatet af en optisk effekt. I virkeligheder findes
ingen forskel mellem eutektisk
og primær jernkarbid. Den endelige form af alle karbidfaser er
bestemt af primær austenit, som
betyder at karbidfasen størkner
sidst. Hvis primær austenit vokser indtil størkningstemperaturen nås, skal alle karbider også
dannes ved størkningstemperaturen. Dette betyder, at der tæt på
størkningstemperaturen
findes
små isolerede smeltesøer mellem
primær austinitdendritter. Disse
små smeltesøer omdannes ved
størkningstemperaturen direkte
til jernkarbid (Fe3C) og må derfor
have et kulstofindhold svarende
til den kemiske sammensætning
af Fe3C, dvs. 6,7%C.
Hvis disse antagelser er korrekte, betyder det, at likvidus
linien i jern-kulstofdiagrammet
skulle trækkes fra 1540oC ved 0%
kulstof til 1150oC ved 6,7% kulstof. Denne nye likvidus er vist
med rød linie i fig. 19.
Afsluttende
bemærkninger
Det er klart, at et angreb på selve
jern-kulstofdigrammet nærmest
betragtes som blasfemi. Ikke desto
mindre mener forfatteren, at de
beskrevne iagttagelser retfærdiggør et forslag til et nyt diagram
og ikke mindst en opfordring til
andre at overveje og kommentere
tankerne bagved. Hvis det er rigtigt, at SG-jern størkner dendrittisk uden at eutektikum og grafit
dannes af og i autenitdendritter,
så er konceptet af jern-kulstofdiagrammet fundamentalt forkert.
Og hvis det er rigtigt, bør væsentlige og afgørende støberitekniske
forhold som perlit/ferritdannelse,
podning og sugninger betragtes
med helt nye øjne.
For flere synspunkter, uddybende
oplysninger og kommentar henvises til www.ceesvandevelde.eu.
11