I denna rapport beskrivs en undersökning och jämförelse av två olika sorters segjärn. Detvå materialen som har studerats har varit det segjärnet som används i Parker Hannifinsnuvarande hydraulikmotorer och ett nytt segjärn, vars mekaniska egenskaper har påståttsvara mer fördelaktiga. Målet med arbetet var att få fram en tillförlitlig jämförelse av de olikamaterialen och avgöra om det fanns ett tydligt underlag för att inleda processen av ett byteav material i vissa komponenter i Parker Hannifins produkter.Det utfördes jämförelser mellan de olika materialens mekaniska egenskaper baserade delspå information som redan fanns om materialen och dels på data insamlad vid tester medskärande bearbetning. Förslitning på verktygen vid fräsning studerades tillsammans medskärkraften med olika sorters skärdata. Restspänningar efter ingreppen i de båda materialenmättes med en röntgendiffraktometer.Resultaten gav inga signifikanta indikationer på att ett materialbyte skulle innebära en lägreproduktionskostnad, dock visade analyser att det nya materialet tål att bearbetas fortare ändet traditionella segjärnet och att fler undersökningar bör göras. Efter att ha analyseratmekaniska egenskaper så som hållfasthet, hårdhet, hårdhetsspridning och styvhet kundeslutsatser dras. Det visade sig att det nya segjärnet hade högre hållfasthet och jämnarehårdhet, men det hade även lägre styvhet. Styvheten i materialet är en viktig faktor dåläckage kan uppstå i hydraulikmotorer om materialen inte har tillräckligt hög styvhet.Mätningarna av skärkraften hos de båda materialen tydde på att det kunde uppstå högrestandardavvikelse, eller variationer av skärkraften vid fräsning av det traditionella segjärnet.Eftersom dessa variationer endast visade sig ett fåtal gånger går det inte att entydigtkonstatera att det nya materialet har mer fördelaktiga bearbetningsegenskaper. För att draen sådan slutsats hade det krävts ytterligare analyser på fler detaljer. / This report describes a study and comparison of two different types of ductile iron. Thetwo materials that have been studied have been the ductile iron used in Parker Hannifin'scurrent hydraulic motors and a new ductile iron, whose mechanical properties are said tobe more advantageous. The goal of this study was to obtain a reliable comparison of thedifferent materials and determine if there were clear grounds for initiating the process of achange of material in certain components of Parker Hannifin’s products.Comparisons between the mechanical properties of the materials were based partly oninformation that was already available and partly on data collected through machining trails.The wear on the tools after milling was studied along with the cutting force from variouskinds of cutting data. Residual stresses after the operation in both materials were measuredby an X-ray diffractometer.The results yielded no significant indication that a change of material would result in lowerproduction cost, however, analyses showed that the new material can withstand beingprocessed faster than the traditional ductile iron and that more studies should beconducted. After analyzing the mechanical properties, such as strength, hardness, hardnessvariation and stiffness, conclusions could be drawn. It turned out that the new ductile ironhad higher strength and more uniform hardness, but it also had lower stiffness. Thestiffness of the material is an important factor because if the materials do not havesufficient rigidity, leakage can occur in hydraulic motors. Measurements of the cutting forceof the two materials indicated that there could be a higher standard deviation, orfluctuation of the cutting force during milling of the traditional ductile iron. Since thesevariations only appeared a few times, it is difficult to conclude that the new ductile ironwould be more advantageous when it comes to machining. To be able to draw that kind ofconclusion would require more collected data.

A good understanding of the solidification process of a cast material is essential to understand how the combination of alloy composition and the casting process variables combines into the solid cast component and its performance. The wrong combination may result in poor performance or casting defects. Spheroidal graphite has been well researched in ductile irons (SGI) where it is predominant. Spheroidal graphite is also present in smaller amounts in compacted graphite irons (CGI), but its nature and role in this material is less understood. Recent associations of spheroidal graphite in CGI with shrinkage porosity problems highlights the need for better understanding in this area. The importance of the dendritic austenite structure to the properties and solidification behaviour of cast irons has been highlighted in recent research. However, progress is to a degree limited by lack of practical means to characterize the structure. In the present work, the transition of a cast iron from SGI to CGI though remelting was studied. As the fraction of SG dropped, the tips of the compacted graphite tended to lose contact with the melt at a later stage. After this occurred, solidification appeared to be dominated by spheroidal graphite. Compacted and spheroidal graphite was found to solidify mostly segregated, and the increased recallescence induced by a higher fraction of compacted graphite displayed small influence on the size distribution of spheroidal graphite apart from the total number and fraction. The partitioning of Si, Mn and Cu in SGI and CGI was found to agree well with each other, as well as with theoretical predictions under the assumptions of zero diffusion of the elements in the solid. This shows that the proportions of spheroidal and compacted graphite has small or no influence on the evolution of these elements in the melt during solidification. A method for characterization of the dendritic austenite in quenched cast irons was introduced and evaluated. The method includes a technique for producing a visual contrast between the ledeburite matrix and the dendritic austenite, and a scheme for producing binary images from the resulting micrographs which are suitable for automatic image analysis. Measurements of the volume fraction and surface area per unit volume of the dendritic austenite structure using the introduced method was found to agree reasonably with traditional point counting and line intercept techniques. The difficulty in finding the exact boundary was proposed to be the major source of systematic disagreement. / En god förståelse för stelningsprocessen av ett gjutet material är väsentligt för att förstå hur kombinationen av legeringens kemiska sammansättning och gjutprocessens variabler resulterar i den stelnade komponenten och dess prestanda. Fel kombination kan resultera i sänkt prestanda eller gjutdefekter. Sfärisk grafit är väl studerad i segjärn (SGI) där grafitmorfologin är dominant. Mindre mängder sfärisk grafit är dock närvarande även i kompaktgrafit, där dess karaktär och roll är mindre känd. Samband mellan sfärisk grafit i kompaktgrafitjärn och krympporositet understryker behovet av bättre förståelse inom detta område. Dessutom har betydelsen av den tidiga dendritiska austenitstrukturen för senare delen av stelningen uppmärksammats. Utveckling inom detta område är dessvärre till en grad begränsad av bristen på kunskap om praktiska metoder för att karaktärisera dess struktur. I detta arbete studerades övergången från segjärn till kompaktgrafit genom omsmältning. Vid sänkt fraktion sfärisk grafit visade sig kompaktgrafiten tappa kontakten med smältan vid senare stadie av stelningen. Efter detta inträffade, dominerades stelningen till synes av tillväxt av sfärisk grafit. Kompaktgrafit och sfärisk grafit bildades i huvudsak segregerade. Ökad rekallesens till följd av ökad fraktion kompaktgrafit visade sig ha låg inverkan på storleksfördelningen av eutektisk sfärisk grafit bortsett från dess totala antal och fraktion. Omfördelningen av Si, Mn och Cu mellan stelnad matris och smälta i segjärn och kompaktgrafitjärn fanns stämma bra överens med varandra, samt med teoretiska värden med antagande om försumbar diffusion i stelnad matris. Detta visar att proportionerna av sfärisk och kompaktgrafit har liten eller ingen inverkan på halten av dessa ämnen i smältan under stelningen. En metod för karaktärisering av den dendritiska austenitstrukturen i släckt gjutjärn introducerades och utvärderades. Metoden inkluderar en teknik för att åstadkomma kontrast mellan ledeburitmatrisen och den dendritiska austeniten, och en teknik för att producera binära bilder från resulterande mikroskopbilder som är lämpliga för automatisk bildanalys. Mätningar av volymfraktion och yta per volymenhet av dendritstrukturen genom tillämpning av den introducerade metoden visade rimlig överensstämmelse med traditionella punktfraktion‐ och linjetekniker. Svårigheten att hitta den exakta gränslinjen mellan dendritisk struktur och ledeburit föreslogs vara den huvudsakliga källan till systematisk oöverensstämmelse.

Bakgrunden till detta examensarbete var att Qumex Materialteknik vid ett flertal tillfällen konstaterat att material av typen SS 0725 har uppvisat bristfälliga härdresultat. Materialet, som är relativt nytt på marknaden, är ett gjutjärn av typen segjärn och utmärker sig gentemot andra segjärn på grund av sitt höga innehåll av kisel. Då segjärn enligt den nu gällande EN-standarden klassificeras efter sina mekaniska egenskaper uppstår ett problem gällande SS 0725. Materialet uppfyller de krav som är ställda för EN-GJS-500-7 och hamnar därmed under samma materialbeteckning som ett segjärn med betydligt lägre kiselhalt. Att två material med olika kemisk sammansättning hamnar under samma beteckning kan innebära problem. Syftet med denna rapport är att fastslå vilken påverkan den höga kiselhalten har på materialet vid värmebehandling av typen släckhärdning med efterföljande anlöpning. I försöken ingick fyra material. Det som skiljde materialen åt var halterna av koppar och kisel. De härdades vid tre olika temperaturer och under tre olika tider för att sedan släckas i olja. Målet med släckhärdningen var att materialen skulle få en helt martensitisk struktur vilket då klassades som ett bra härdresultat. Resultatet utvärderades sedan genom optisk mikroskopi och hårdhetsmätningar. En undersökning av materialens fasomvandlingstemperaturer genomfördes med hjälp av Differential Scanning Calorimetry. Resultatet visar att kiselhalten har stor påverkan på den temperatur som krävs för att erhålla ett bra härdresultat. För material med låg kiselhalt uppnåddes fullständig martensitbildning efter släckhärdning från 840°C. För material med hög kiselhalt uppnåddes liknande strukturella och hårdhetsmässiga resultat först vid en så hög temperatur som 900°C och behandlingstider längre än 1 h. Den relativa skillnad som uppmättes i fasomvandlingstemperatur med hjälp av Differential Scanning Calorimetry mellan högkiselmaterial och lågkiselmaterial var 45°C. Detta resultat kombinerat med analyserna av härdprocesserna visar att det krävs kraftigt ökad temperatur vid värmebehandling av högkiselmaterialet SS 0725. / The background to this thesis was that Qumex Materialteknik at several occasions had received material of type SS 0725 that had shown deficient heat treatment results. The material, which is relatively new, is a cast iron of type ductile iron and differ against other ductile irons because of its high silicon content. According to EN standard ductile irons are classified by their mechanical properties. A problem then occurs with the new material SS 0725 because of this. The material fulfils the requirements for EN-GJS-500-7 and is therefore in the same classification as a ductile iron with much lower silicon content. Two materials having major differences in chemical composition ending up in the same classification can be problematic. The purpose of this report is to determine impact of high silicon content in ductile iron when heat treated and quench hardened. The experiment included four materials, and the major difference between the materials were their content of copper and silicon. The heat treatment process was performed at three different temperatures and three different treatment times. Afterwards the samples were quenched in oil. The ambition of the quench hardening was to obtain a material structure of 100% martensite. By optical microscopy and hardness measurements the results then were evaluated. An investigation of the phase transformation temperature in the materials was made by using Differential Scanning Calorimetry. The results show that the amount of silicon content has great influence on the temperature for receiving good hardening results. To achieve 100% martensite after quench hardening in materials with low silicon content the temperature needs to be over 840°C. For material with high level of silicon content the temperature for achieving 100% martensite needs to be 900°C and the treatment time should be over 1 h. The relative difference in phase transformation temperature was measured using Differential Scanning Calorimetry. The results of the measurements between the materials with high silicon content and materials with low silicon content was 45°C. This result combined with the analysis of the heat treatment process shows that a major increase of the temperature is needed to heat treat SS 0725.

This thesis focuses on the effect of microstructural variation on the mechanical properties and deformation behavior of ductile iron. To research and determine these effects, two grades of ductile iron, (i) GJS-500-7 and (ii) high silicon GJS-500-14, were cast in a geometry containing several plates with different section thicknesses in order to produce microstructural variation. Microstructural investigations as well as tensile and hardness tests were performed on the casting plates. The results revealed higher ferrite fraction, graphite particle count, and yield strength in the high silicon GJS-500-14 grade compared to the GJS-500-7 grade. To study the relationship between the microstructural variation and tensile behavior on macroscale, tensile stress-strain response was characterized using the Ludwigson equation. The obtained tensile properties were modeled, based on the microstructural characteristics, using multiple linear regression and analysis of variance (ANOVA). The models showed that silicon content, graphite particle count, ferrite fraction, and fraction of porosity are the major contributing factors that influence tensile behavior. The models were entered into a casting process simulation software, and the simulated microstructure and tensile properties were validated using the experimental data. This enabled the opportunity to predict tensile properties of cast components with similar microstructural characteristics. To investigate deformation behavior on micro-scale, a method was developed to quantitatively measure strain in the microstructure, utilizing the digital image correlation (DIC) technique together with in-situ tensile testing. In this method, a pit-etching procedure was developed to generate a random speckle pattern, enabling DIC strain measurement to be conducted in the matrix and the area between the graphite particles. The method was validated by benchmarking the measured yield strength with the material’s standard yield strength. The microstructural deformation behavior under tensile loading was characterized. During elastic deformation, strain mapping revealed a heterogeneous strain distribution in the microstructure, as well as shear bands that formed between graphite particles. The crack was initiated at the stress ranges in which a kink occurred in the tensile curve, indicating the dissipation of energy during both plastic deformation and crack initiation. A large amount of strain localization was measured at the onset of the micro-cracks on the strain maps. The micro-cracks were initiated at local strain levels higher than 2%, suggesting a threshold level of strain required for micro-crack initiation. A continuum Finite Element (FE) model containing a physical length scale was developed to predict strain on the microstructure of ductile iron. The material parameters for this model were calculated by optimization, utilizing the Ramberg-Osgood equation. The predicted strain maps were compared to the strain maps measured by DIC, both qualitatively and quantitatively. To a large extent, the strain maps were in agreement, resulting in the validation of the model on micro-scale. In order to perform a micro-scale characterization of dynamic deformation behavior, local strain distribution on the microstructure was studied by performing in-situ cyclic tests using a scanning electron microscope (SEM). A novel method, based on the focused ion beam (FIB) milling, was developed to generate a speckle pattern on the microstructure of the ferritic ductile iron (GJS-500-14 grade) to enable quantitative DIC strain measurement to be performed. The results showed that the maximum strain concentration occurred in the vicinity of the micro-cracks, particularly ahead of the micro-crack tip. / Denna avhandling fokuserar på effekten av variationer i mikrostrukturen på mekaniska egenskaper och deformationsbeteende hos segjärn. För att undersöka dessa effekter, två olika sorter av segjärn, (i) GJS-500-7 och (ii) högkisellegerad GJS-500-14, gjutits till plattor av olika tjocklekar för att generera mikrostrukturvariationen. Mikrostrukturundersökning, samt drag- och hårdhetsprov gjordes på de gjutna plattorna. Resultaten visade att en högre ferritfraktion, grafitpartikelantal och sträckgräns i den högkisellegerade GJS-500-14-sorten jämfört med GJS-500-7. För att studera förhållandet mellan mikrostrukturell variation och spännings-töjningsbeteendet på makroskala, modellerades detta med hjälp av Ludwigson-ekvationen. De erhållna spännings-töjningsegenskaperna modellerades baserat på mikrostrukturell karaktäristika genom multipel linjärregression och variansanalys (ANOVA). Modellerna visade att kiselhalt, grafitpartikelantal, ferritfraktion och porfraktion var de viktigaste bidragande faktorerna. Modellerna implementerades i ett simuleringsprogram för gjutningsprocessen. Resultatet från simuleringen validerades med hjälp av experimentella data som inte ingick i underlaget för regressionsanalysen. Detta möjliggjorde att prediktera spännings-töjningsbeteendet och dess variation hos gjutna segjärns komponenter med liknande sammansättning och gjutna tjocklekar som användes i denna studie. För att kunna undersöka deformationsbeteendet på mikroskala utvecklades en metod för kvantitativ mätning av töjning i mikrostrukturen, genom DIC-tekniken (digital image correlation) tillsammans med in-situ dragprovning. I denna metod utvecklades en grop-etsningsprocess för att generera ett slumpvis prickmönster, vilket möjliggjorde DIC-töjningsmätning i matrisen och i området mellan grafitpartiklarna med tillräcklig upplösning. Metoden validerades genom benchmarking av den uppmätta sträckgränsen mot materialets makroskopiska sträckgräns mätt med konventionell dragprovning. Det mikrostrukturella deformationsbeteendet under dragbelastning karakteriserades. Under elastisk deformation avslöjade töjningsmönstret en heterogen töjningsfördelning i mikrostrukturen, och bildandet av skjuvband mellan grafitpartiklar. Sprickbildning initierades vid låg spänning och redan vid de spänningsnivåer som ligger vis ”knät” på dragprovningskurvan, vilket indikerar energidissipering genom både begynnande plastisk deformation och sprickbildning. Den lokala töjningen vis sprickinitiering skedde då den lokala töjningen översteg 2%, vilket indikerar att detta skulle kunna vara en tröskelnivå för den töjning som erfordras för initiering av mikro-sprickor. En kontinuum Finita Element (FE) modell utvecklades för att prediktera töjningen hos ett segjärn och dess fördelning i segjärns mikrostruktur. Materialparametrarna för denna modell optimerades genom att anpassa parametrarna i Ramberg-Osgood ekvationen. De predikterade töjningsfördelningarna jämfördes med de experimentell uppmätta töjningsmönstren uppmätta med DIC, både kvalitativt och kvantitativt. Töjningsmönstren överensstämde i stor utsträckning, vilket resulterade i att modellerna kunde anses vara validerade på mikronivå. För att kunna mäta töjningsmönster under dynamiska förlopp på mikronivå utvecklades en metod för att skapa prickmönster och att utföra in-situ CT provning i ett svepeletronmikroskop (SEM). Prickmönstret skapades genom avverkning med en fokuserad jonstråle (FIB), och provades på det ferritiska segjärnet (GJS-500-14 grad). Resultaten visade att maximal töjningskoncentration fanns i närheten av mikrosprickorna, framförallt framför sprickspetsen.