Oxidation, Creep and Fatigue Synergies in Cast Materials for Exhaust Manifolds

• The future development of engines of heavy-duty vehicles towards reduced CO2 emission will increase the exhaust gas temperature and render the exhaust atmosphere more corrosive. The current service material of exhaust gas components - a ferritic ductile cast iron called SiMo51 - will soon meet its upper-temperature limit. Three alternative materials were suggested in a previous study: SiMo1000 (ferritic, nodular cast iron), D5S (austenitic, nodular cast iron), and HK30 (austenitic, cast steel). Together with SiMo51 (reference) the alternative materials are investigated in the present thesis with respect to performance and degradation mechanisms, under the individual or collective influence of high-temperature fatigue, corrosion, and creep.Firstly, fatigue, corrosion and corrosion-fatigue at 800oC were studied to establish their degradation mechanisms and relative performance. The individual influence of fatigue and corrosion was studied using low-cycle fatigue (LCF) tests in argon, and oxidation tests in a synthetic exhaust gas (5%O2-10%CO2-5%H2O-1ppmSO2-N2(bal.)), respectively. The collective influence of fatigue and corrosion was studied using LCF test in the synthetic exhaust gas. The degradation mechanisms were analyzed through extensive characterization of the tested specimens. Different crack-initiation mechanisms were found for the various combinations of materials and atmospheres. In argon, crack initiation was generally caused by secondary phases at the surface (graphite in SiMo51/SiMo1000, graphite and intermetallics in D5S) and near-surface casting defects (in all materials). In the exhaust atmosphere, crack initiation was generally influenced by oxide intrusions (formed from oxidized graphite in SiMo51 and expressed as dendrite boundary corrosion in HK30), internal fracture of intermetallics (in D5S), decarburization creating microcracks/stress concentrations (in SiMo1000), and near-surface casting defects (in all materials). The relative performance was analyzed using fatigue and oxidation curves.Secondly, two improvements were attempted for SiMo1000, a modified casting geometry for improved graphite morphology and a surface treatment method, nitrocarburizing. The first attempt resulted in significantly reduced decarburization, decreased initial crack size formed by graphite/matrix debonding and an improved corrosion-fatigue life of 8 to 16 times. The second attempt resulted in two types of microcracks after the process and a self-sustained growth of the diffusion layer, when subjected to high-temperature corrosion. A strong corrosion-fatigue synergy was found, reducing the fatigue lifetime by 84-89%.Thirdly, the collective influence of fatigue and creep was studied for D5S using regular LCF tests (reference) and creep-fatigue tests, with either tension or compression dwell. Both dwell directions reduce fatigue life but promote different creep-fatigue-corrosion interactions. Tension dwell produces a clear creep-fatigue synergy, generating creep pinholes near graphite nodules. Typically, such damage is observed in regular creep tests of several months. Compression dwell decreases lifetime more than tension dwell due to increased peak tensile stress and a more pronounced surface crack initiation by an oxide wedging mechanism.The investigation in the present study gives a better understanding of the correlation between microstructure and corrosion-fatigue/creep-fatigue properties in materials used for exhaust gas components. Moreover, the combination of fatigue tests in argon/exhaust atmosphere, oxidation tests in the exhaust atmosphere, creep-fatigue tests, and creep tests from a previous study shows how corrosion, fatigue, and creep individually and synergistically affect the material performance at elevated temperature.

• Den framtida utvecklingen av motorer för tunga fordon, pådriven av minskade CO2 utsläpp, kommer att medföra högre avgastemperaturer och en korrosivare atmosfär. Nuvarande material för grenrörskomponenter, ett ferritiskt duktilt gjutjärn kallat SiMo51, - kommer snart att nå sin övre användningstemperatur. Tre alternativa material föreslogs i ett tidigare arbete: SiMo1000 (ferritiskt nodulärt gjutjärn), D5S (austenitiskt noduärt gjutjärn) och HK30 (austenitiskt gjutstål). Tillsammans med SiMo51 (referens) undersöks de alternativa materialen i denna avhandling med avseende på prestanda och nedbrytningsmekanismer, under individuell eller kollektiv inverkan från, högtemperaturutmattning, korrosion och krypning.Först studerades utmattning, korrosion och korrosionsutmattning vid 800oC för att etablera nedbrytningsmekanismer och relativ prestanda. De individuella påverkningarna från utmattning och korrosion studerades med lågcykelutmattning (LCF) i argon, och oxidationstester i en syntetisk avgas (5%O2-10%CO2-5%H2O-1ppmSO2-N2(bal.)). Den samlade inverkan från utmattning och korrosion studerades med LCF-test i den syntetiska avgasen. Nedbrytningsmekanismerna studerades noga genom utförlig karaktärisering av testade prov. Olika sprickinitieringsmekanismer hittades för olika kombinationer av material och atmosfärer. I argon orsakades sprickinitieringen generellt av ytliga sekundärfaser (grafit i SiMo51/SiMo1000, grafit och intermetaller i D5S) och ytliga gjutdefekter (i alla material). I avgas påverkades sprickinitieringen generellt av oxidinväxt (genom oxidering av grafit i SiMo51 och genom korrosion i dendritgränserna i HK30), internt brott i intermetaller (D5S), avkolning resulterande i mikrosprickor/spänningskoncentrationer (SiMo1000), och ytliga gjutdefekter (alla material). Den relativa prestandan analyserades med utmattnings- och oxidationskurvor.Därefter gjordes två försök att förbättra SiMo1000 genom modifiering av gjutgeometrin för att erhålla förbättrad grafitmorfologi, och genom en ytbehandlingsmetod s.k. nitrokarburering. Det första försöket resulterade i signifikant minskad avkolning, minskade initiala sprickor, bildade genom dekohesion av grafit/matris, och en förbättrad utmattningslivslängd på 8 till 16 gånger. Det andra försöket resulterade i två typer av mikrosprickor redan efter processen och en självgående tillväxt av diffusionszonen när den utsattes för högtemperaturoxidation. En stark synergieffekt observerades, vilket reducerade utmattningslivslängden med 84-89%.Slutligen studerades den kollektiva inverkan av utmattning och krypning på D5S genom vanlig LCF testning (referens) och kryputmattning, med hålltider i antingen drag eller tryck. Hålltid i båda riktningarna reducerar utmattningslivslängden men gynnar olika kryp-utmattnings-korrosionsinteraktioner. En hålltid i drag ger en klar synergi mellan krypning och utmattning med utbildning av krypkaviteter nära grafitnodulerna. Sådana skador observeras vanligen i normala krypprov först efter flera månader. En hålltid i tryck reducerar livslängden mer än en hålltid i drag genom en ökad maximal dragspänning och en ökad initiering av ytsprickor genom en mekanism som bildar oxidkilar.Undersökningarna i föreliggande avhandling ger en bättre förståelse av korrelationen mellan mikrostruktur och korrosionsutmattning/kryputmattning i material som används för grenrörskomponenter. Vidare visar kombinationen av utmattningstest i argon/avgas, oxidationstester i avgas, kryputmattningstester och kryptester från en tidigare studie, hur korrosion, utmattning och krypning, individuellt och i samverkan, påverkar materialens prestanda vid förhöjd temperatur.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Materialteknik -- Metallurgi och metalliska material (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Materials Engineering -- Metallurgy and Metallic Materials (hsv//eng)

Nyckelord

Fatigue

low-cycle fatigue

fatigue in an inert atmosphere

fatigue in a synthetic diesel exhaust atmosphere

corrosion-fatigue

creep-fatigue

high-temperature corrosion

high-temperature fatigue

synergistic effect

corrosion-fatigue synergy

creep-fatigue synergy

high-temperature alloys

fatigue damage

creep-fatigue damage

corrosion-fatigue damage

ductile cast iron

high-alloyed austenitic cast steel

thermal cycling

precipitation

aging.

Teknisk materialvetenskap

Materials Science and Engineering

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)