The Swedish truck industry is forced to find new material solutions to achieve lighter engines with increased strength. Customers and new environmental regulations demand both higher specific power and more environmentally friendly trucks, and this places a rising pressure on the manufactures. This demand could be met by increasing the peak pressure in the cylinders. Consequently, a more efficient combustion is obtained and the exhaust lowered. This however exposes the engine to higher loads and material physical properties must therefore be enhanced. Today, alloyed gray iron is the predominantly used engine material. This material cannot meet the requirements of tomorrow’s engines. Compacted Graphite Iron has good potential to be the replacement; it opens new design opportunities with its superior strength, which can lead to smaller, more efficient engines and additional power. The question is: how will manufacturing be affected? The main goal of this thesis is to identify and investigate the main factors’ effect and their individual contributions on CGI machining.  When the relationship between the fundamental features; machinability, material microstructure, and material physical properties, are revealed, then the CGI material can be optimized, both regarding the manufacturing process and design requirements. The basic understanding is developed mainly through experimental analysis. No attempt has been made to optimize the material to be used as engine material in this thesis. The thesis demonstrates the importance of having good casting process control. It also illustrates the microstructural properties’ effects on CGI machinability, and what new aspects of machining must be taken into account, compared to gray iron. / QC 20101105 / OPTIMA CGI

It is an established fact that segregation during casting affects the physical properties of carbon-based ferro alloys; this motivates the study of the segregation behaviour of carbon and carbide-forming solute elements. In this context, this thesis investigates two different situations: the effects of cooling rate and turbulence on the precipitation behaviour of the graphite nodules in nodular cast iron; the nature of carbide precipitation in a bearing steel grade and the effects of subsequent soaking on these carbides. The structures of boiling water reactor inserts cast by the uphill and downhill casting of nodular cast iron were examined. The samples were taken from representative locations in the top, middle and bottom cross sections of the castings. It was observed that in uphill-cast inserts the nodules were larger but fewer in number the bottom section, whereas in downhill-cast inserts the nodules in the bottom section were smaller, but greater in number. Variation in volume fraction of the graphite nodules across the inserts was also observed. The probable cause of this variation was the difference in cooling rate in different sections of the insert. Between the steel tubes located at the central part of the casting, the fraction of graphite was lower, which could be the result of carburization of the steel tubes. To study the effects of melt stirring during the solidification of nodular cast iron, several experiments were conducted at variable cooling rates and for different stirring times. Examination of the microstructure was conducted using Light Optical Microscope (LOM) and Scanning Electron Microscope (SEM). It was observed that during stirring the melt oxidized and oxide nuclei were formed. The number of nucleation sites for the precipitation of graphite nodules increased, which raised the nodule count and the fraction of the graphite precipitated. The matrix transformed from pearlite to ferrite, which could be due to the fact that more carbon had diffused out of the matrix. The segregation behaviour in hypereutectoid bearing steel produced by ingot casting was also studied. The effects of soaking on micro and macro segregation was investigated in samples taken from as cast and soaked ingots; emphasis was laid on the bulk matrix and A-segregation channels. Samples were also taken from ingots which were soaked and then hot worked. The micro and macro examination of the microstructure was conducted using LOM and SEM. Quantitative and qualitative composition analysis was performed using Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and an electron micro probe analyzer (EMPA). It was observed that M3C, M2C and M6C had precipitated. The carbide morphology in the bulk matrix was different to that in the A-segregation channels. All the primary carbides in the bulk matrix were found to have dissolved after 4 hours of soaking at 1200oC. / Det är ett faktum att segringar som uppstår under gjutning påverkar materialegenskaperna hos kolbaserade järnlegeringar; detta utgör motivationen till studien av segringsuppträdandet hos kol och karbidbildande ämnen. Denna avhandling behandlar två olika aspekter inom ramen för detta ämne: påverkan av kylningshastighet och turbulens på kärnbildningen av grafitnoduler i nodulärt gjutjärn samt karbidbildning i kullagerstål och dess påverkan på den efterföljande värmebehandlingen av dessa karbider. Strukturen hos rör till vattenkokare som tillverkats av nodulärt gjutjärn som gjutits med fyllning från botten eller från toppen undersöktes. Prover togs från representativa tvärsnittspositioner från toppen, mitten och botten av de gjutna ämnena. Resultaten visade att användandet av bottenfyllda kokiller gav upphov till större men färre karbider i nedre delen av ämnet, medans användandet av toppfyllda kokiller gav upphov till mindre men fler karbider i nedre delen av ämnet. Variationer av volymfraktionen av grafitnoduler längs tvärsnitten observerades också. Den mest sannolika orsaken till denna variation var skillnaden i kylhastighet i de olika områdena av tvärsnitten. Hos rör tillverkade av det centrala delen av ämnet så var fraktionen grafit lägre, vilket kan bero på en uppkolning av rören. Ett flertal experiment utfördes med varierande kylningshastigheter och olika omrörningstider för att studera inverkan av omrörning av smältan på stelningen av nodulärt gjutjärn. Studier av mikrostrukturen genomfördes med ljusoptisk mikroskopi och svepelektronmikroskopi. Resultaten visade att smältan oxiderades under omrörningen, vilket resulterade i bildandet av oxider. Detta ledde till en ökning av kärnbildningsområden för grafitnoduler, vilket ledde till en ökning av antalet noduler samt fraktionen av grafit som fälldes ut. Strukturen omvandlades från perlit till ferrit, vilket troligen orsakades av att kol hade diffunderat ut från strukturen. Segringsbeteendet hos hypereutektoida kullagerstål tillverkade genom götgjutning undersöktes också. Effekten av värmebehandling på mikro- och makrosegringar undersöktes i prover tagna från gjutna och värmebehandlade ämnen. Fokus var på att studera strukturen i ämnena samt A-segringar. Dessutom togs prover från ämnen som först värmebehandlats och därefter varmbearbetats. Både mikro- och makroundersökningar av mikrostrukturen utfördes med ljusoptisk mikroskopi och svepelektronmikroskopi. Dessutom så genomfördes kvantitativa sammansättningsbestämningar med energidispersiv röntgenspektroskopi och elektronmikroprobsanalys. Resultaten visade att M3C, M2C och M6C karbider hade fällts ut. Karbidmorfologin i huvuddelen av strukturen skiljde sig från den som återfanns i A-segringar. Samtliga primära karbider i huvuddelen av strukturen hade lösts upp efter 4 timmars värmebehandling vid 1200oC. / <p>QC 20180523</p>

In this thesis, the aim is to study possible tribo-materials for a rotating inlet valve and to find a suitable material combination for the contact. The valve is part of a modern oil-free and high temperature steam engine. Systematic material selection together with tribological tests and wear analyses are performed. The metals Nitronic 60 and Stellite 6B are tested as self-mated metals, and run against graphite. None of these combinations are found suitable. However, the tests show carbon-based materials to be promising. After further study another carbon-based material, antimony impregnated mechanical carbon is selected as valve seat. For the mating part valve distributor, the material ZrO2-MgO is selected. This tribo-pair has shown friction and wear in the same interval as oil-lubrication. The friction and wear are 50% respectively 10% of the second best tribo-pair found in this thesis. The valve seat material is realizable if supported by a valve block of a Ni-resist cast iron with thermal expansion similar to the valve seat. Lastly a redesign of the valve distributor is suggested to comply with ceramic design guidelines. / Målet med denna rapport är att studera möjliga tribo-material för en roterande inloppsventil och att hitta en lämplig materialkombination för kontakten. Ventilen är en del av en modern oljefri och högtempererad ångmotor. Ett systematiskt materialval tillsammans med tribologiska tester och nötningsanalyser utförs. Metallerna Nitronic 60 och Stellite 6B testas dels mot sig själva, och dels mot grafit. Ingen av dessa kombinationer finns lämplig. Testerna visar dock att kolbaserade material är lovande och eftervidare studier är ett annat kolbaserat material, antimonimpregnerat mekaniskt kol, väljs till ventilsätet. Till motytan till ventilsätet, ventilfördelaren, väljs materialet ZrO2-MgO. Detta tribo-par har visat friktion och nötning i samma intervall som oljesmörjning. Friktionen och nötningen är 50 % respektive 10 % av det näst bästa tribo-paret som hittats i denna avhandling. Ventilsätets material är realiserbart om det stöttas i ett ventilblock av ett ”Ni-resist” gjutjärn med en värmeexpansion som liknar ventilsätets. Slutligen föreslås en omkonstruktion av ventilfördelaren för att uppfylla riktlinjerna för keramisk konstruktion.