En kontrollerad form av blästring, så kallad kulpening, kan öka hållfastheten i gjutjärn. Kanske till och med så mycket att arbetstrycket i dieselmotorer kan öka och därmed spara bränsle.
Text och foto: Mikael Sönne/Linköpings Universitet
Hur mäter man så kallade restspänningar i ytskiktet på gjutjärn? Kan rätt mängd av restspänningar öka järnets hållfasthet och i så fall hur mycket? De frågorna har Mattias Lundberg besvarat i sin doktorsavhandling Residual stresses, fatigue and deformation in cast iron vid Avdelningen för konstruktionsmaterial.
Restspänningar är enkelt uttryckt det tillstånd som uppstår i ett material sedan det på ett eller annat sätt har deformerats. Beroende på mängd av spänningar kan de både förbättra och försämra materialets utmattningsegenskaper.
– Gjutjärn är ett känt material som använts av människan i tusentals år. Ändå finns det förvånansvärt lite publicerad forskning om järnets mekaniska egenskaper. Kanske har man tyckt att man kan så mycket om materialet att man inte har behövt forska, säger Mattias Lundberg.
– Industrin har gjort mycket in house-undersökningar som inte finns tillgängliga för vem som helst, men nu finns det en del forskning på bordet.
I forskningen har Mattias Lundberg bearbetat stycken av gjutjärn med kulpening. Det är en sorts kontrollerad och väldokumenterad form av blästring där små kulor skjuts mot järnets yta och därmed deformerar det. I det deformerade området bildas kompressiva restspänningar då materialet strävar efter att återgå till sin ursprungliga form. Detta motverkar sprickbildning.
Förändringarna av ytskiktet går inte att se med blotta ögat utan är ytterst ytlig, ja på atomnivå. För att mäta deformationen har Mattias Lundberg arbetat med så kallad röntgendiffraktion, där röntgenstrålar tränger ett par mikrometer ner i materialet.
Och resultatet? Jo, under rätt förutsättningar kan kulpening märkbart stärka hållfastheten i ytskiktet hos gjutjärn. Förändringen är cirka tio procent.
– I andra mer duktila (tänjbara) metalliska material kan det öka ännu mer, ändå upp till 500 procent, säger Mattias Lundberg.
Forskningen har bedrivits i samarbete med Scania och Volvo, som velat undersöka om kulpening var ett effektivt sätt att förstärka järnet som används i dagens motorer för tunga fordon. Företagen söker på olika sätt öka hållfastheten för att kunna öka arbetstrycket i motorerna och därigenom spara bränsle.
Mattias Lundberg vet inte hur Volvo och Scania kommer att använda de nya forskningsresultaten. Kanske finns det andra sätt att förstärka motorerna, som är billigare, effektivare och införa i produktionen.
– Själv tror jag att tio procent ligger lite på gränsen för att man ska vilja ändra tillverkningsprocessen. På ett sätt hade det ju varit roligare om förändringen var större. Å andra sidan är all kunskap viktig, och nu har vi bättre vetskap om hur långt man kan komma med den här metoden, säger han.
