Ductile iron modelling and optimisation for mechanically and thermally loaded components

Abstract

Today, casting is an important part of mechanical engineering, especially in large engine manufacturing, where more than 60% of the components are castings. The spheroidal cast irons are significant materials, due to their good material and excellent castability properties. The technological development has increased the mechanical and thermal loads on the components, which can be seen as higher material requirements. At the same time, the requirements for the reliability and service life of the components have become even more critical. In this work, the thermal conductivity of different types of cast iron from room temperature to 400 ° C were studied. Based on those results, the thermal conductivity and mechanical properties of spheroidal graphite cast iron at elevated temperatures with different silicon concentrations and ferrite-pearlite ratios were further investigated. The effect of thermal conductivity and mechanical properties was also modelled. At elevated temperatures, there is a dynamic strain ageing present and that effect to ferritic-pearlitic cast irons were also investigated. The results were used to optimize the material of the mechanically and thermally loaded component. The choice of the cast iron type with spherical graphite was significant to the predicted life of the part. This work expands the knowledge about the behaviour of cast irons, especially of the spheroidal graphite cast iron at elevated temperatures. The use of the information in the optimization of thermally and mechanically stressed components enables the selection of the most suitable type of spheroidal graphite cast iron for the particular load case. That has a significant impact on the service life and reliability of the component.

Valut ovat nykyään tarkeässä osassa koneenrakennuksessa. Erityisesti suurten moottorien valmistuksessa yli 60% komponenteista ovat valuja. Valuraudat ovat tärkeitä materiaaleja, koska niillä on hyvät materiaaliominaisuudet ja eritoten erittäin hyvä valettavuus. Teknisen kehityksen johdosta moottorikomponenttien mekaaniset ja termiset kuormitukset ovat kasvaneet ja samalla materiaalivaatimukset ovat nousseet. Komponenttien luotettavuus ja elinikävaatimukset ovat entistäkin tärkeämpiä. Tässä työssä tutkittiin aluksi erityyppisten valurautojen lämmönjohtavuuksia huoneenlämpötilasta 400°C:een. Näiden tulosten perusteella tutkittiin tarkemmin pallografiittivalurautojen lämmönjohtavuuksia ja mekaanisia ominaisuuksia korotetuissa lämpötiloissa eri piipitoisuuksilla ja valuraudan matriisin ferriitti-perliitti suhteilla. Näiden vaikutus lämmönjohtavuuteen ja mekaanisiin ominaisuuksiin eri lämpötiloissa mallinnettiin. Korotetuissa lämpötiloissa esiintyy dynaamista myötövanhenemista, jonka vaikutusta ferriittis-perliittisissä pallografiittivaluraudoissa tutkittiin. Saatuja tuloksia käytettiin mekaanisesti ja termisesti kuormitetun komponentin materiaalin optimointiin mallinnuksella. Pallografiittivalurautatyypin valinnalla oli erittäin suuri merkitys komponentin ennustettuun elinikään. Tämä työ lisää tietoa valurautojen, erityisesti pallografiittivalurautojen, käyttäytymisestä korotetuissa lämpötiloissa. Termisesti ja mekaanisesti kuormitettujen komponenttien optimointi on mahdollista tämän tiedon perusteella ja auttaa eri kuormitustapauksissa soveltuvimman pallografiittivalurauta tyypin valitsemisen. Tämä vaikuttaa huomattavasti komponentin elinikään ja luotettavuuteen.