Cast Iron, despite being used for thousands of years, is yet to be a perfected art, with a significant portion of losses caused by porosity in the cast components. Porosity leads to substantially increased costs, waste of embodied energy, and environmental emissions. Minimizing these defects demands a thorough understanding of their causes and effective corrective measures.

Driven by the necessity to produce lighter and more efficient components, heavy-duty powertrains have increasingly adopted compacted graphite cast iron (CGI) as the current state-of-the-art in engine components. However, CGI’s recent adoption, facilitated by advanced process control methods, has also increased susceptibility to defects. The work presented in this thesis investigated the mechanisms surrounding porosity defect formation in CGI, particularly when compared to the extensively studied spheroidal graphite cast iron (SGI) and lamellar graphite cast iron (LGI).

A case study was conducted in cooperation with several cast iron producers. Components containing porosity defects stemming from complex heavy castings were analysed in depth and compared to the literature information available regarding porosity defects. These analyses identified knowledge gaps, motivating the development of a novel experimental methodology capable of controlling key variables affecting pore formation, including gas composition within the pore, pore formation temperature, melt composition, and graphite morphology. Knowledge gaps highlighted in the case studies were targeted. Notably, although graphite film formation was previously largely attributed to the pore gas composition, its occurrence within inert argon-filled pores indicates the involvement of additional mechanisms.

The present work also evaluated the partitioning behavior of nitrogen during solidification. A discrepancy in reported nitrogen partition coefficients was identified between existing literature and thermodynamic databases. Partitioning affects its segregation behavior and consequently the tendency for porosity formation. A hold and quench experiment has shown that nitrogen tends to partition towards the liquid phase during solidification, which suggests it can significantly contribute to pore nucleation and growth. This finding further stresses the importance of selecting databases that accurately represent the behavior of the system of interest, while simultaneously highlighting the need to improve the accuracy of existing ones.

These findings offer critical insights for improved process control, ultimately supporting the production of more reliable and efficient CGI components.

Trots att gjutjärn använts under tusentals år är konsten att gjuta det utan defekter långt ifrån fulländad. Idag härleds en betydande del av produktionsförlusterna till porositet i de gjutna komponenterna, vilket resulterar i ett avsevärt slöseri med energi och ökade utsläpp till miljön. För att minimera dessa defekter krävs djupgående förståelse av deras orsaker samt effektiva korrigerande åtgärder.

Det ökade behovet av lättare och effektivare komponenter för drivlinor för tung industri har expanderat användningen av kompaktgrafitjärn (CGI) för motorkomponenter. CGI:s relativt nya introduktion, möjliggjord av mer avancerad processtyrningsmetoder, har dock även lett till ökad känslighet för defekter. Syftet med denna avhandling är att kartlägga graden av förståelse kring porositetsdefekter i CGI jämfört med det mer ingående studerade segjärnet (SGI) och gråjärnet (LGI).

Ett flertal fallstudier har genomförts i samarbete med flera gjutjärnsproducenter. Komponenter med porositetsdefekter från komplexa och tunga gjutgods analyserades noggrant och jämfördes med literaturen kring porositetsdefekter. Dessa analyser identifierade kunskapsluckor som motiverade utvecklingen av en ny experimentell metodik, där avgörande variabler kring porbildning kunde kontrolleras systematiskt, inklusive gassammansättning i poren, porbildningstemperatur, smältsammansättning och grafitens morfologi. Kunskapsluckorna från fallstudierna hade ett särskilt fokus. Det visades bland annat att grafitfilmer, tidigare huvudsakligen kopplade till gassammansättningen, kunde bildas även i porer fyllda med inert argongas, vilket antyder att andra mekanismer också bidrar till detta fenomen.

Denna studie undersökte även fördelningsbeteendet av kväve under stelningsprocessen. En diskrepans gällande kvävets fördelningskoefficient identifierades i befintlig litteratur och termodynamiska databaser. Fördelningsbeteendet påverkar segregation av kväve och därmed även benägenheten för porbildning. Genom så kallade ”hold and quench”-experiment visades att kväve tenderar att fördelas mot den flytande fasen under stelning, vilket innebär att det kan spela en betydande roll vid kärnbildning och tillväxt av porer. Detta resultat understryker vikten av att använda termodynamiska databaser som noggrant speglar de undersökta systemens beteenden.

Dessa resultat erbjuder viktiga insikter för förbättrad processtyrning och bidrar i förlängningen till produktionen av mer tillförlitliga och effektiva CGI-komponenter