Återtillverkning genom pågjutning

MATERIAL OCH PRODUKTION

GJUTNA KOMPONENTER

Återtillverkning genom pågjutning

Åsa Lauenstein, Sten Farre, Johan Dahlström

© RISE Research Institutes of Sweden

Återtillverkning genom pågjutning

Abstract

Re-manufacturing of cast components through

compound casting

The overall aim of the pilot study is to develop a new, circular concept where complex cast components with retained high added value can be remanufactured in many cycles through dual recasting of functional layers.

A circular business model according to this concept will lead to decreased use of material and energy within the foundry, and increased lifetime and reduced energy consumption in the end-user’s applications. With remanufacturing through dual recasting and its advantages, the component’s performance and economical sustainability will be optimised by using the right material at the right place. In the long run, this concept will form an integrated part in a new service business model for remanufactured cast components. This will lead to an increased use of cast components in complex applications as well as optimised resource efficiency throughout the value chain.

This concept is yet untested, and the aim of the pilot study is therefore to answer two fundamental questions: whether the full concept can be implemented with the use of existing technology or if new technical solutions must be developed; and if the concept will be long term economically and environmentally sustainable for a selection of chosen products. Two foundries and one supplier of plants for pulp and paper industry will take part in the project. The companies will be able to try out a completely new product concept with large potential for future growth.

Key words: cast steel, cast iron, dual casting, compound casting, remanufacturing, cast components

RISE Research Institutes of Sweden AB RISE Rapport 2020:56

ISBN: 978-91-89167-39-1 Jönköping 2020

Innehåll

4.1 Sökning i litteraturdatabaser om pågjutning ...8

4.2 Produkter tillverkade genom sammangjutning. ... 10

5 Praktiska tester ... 12

5.1 Vitjärn och stål på segjärn ... 12

5.1.1 Försöksupplägg ... 13 5.1.2 Sammangjutningar... 14 5.1.3 Utvärdering ... 15 5.2 Stål på vitjärn ... 20 5.2.1 Försöksupplägg ... 20 5.2.2 Gjutning ... 21 5.2.3 Utvärdering ... 22 5.3 Slutsatser av försöksgjutningar ... 26

6 Hållbarhetsanalys och affärsmodell ... 26

6.1 Metod och genomförande ... 26

6.1.1 Flödesbeskrivning och inventering... 26

6.1.2 Värdering ... 28 6.2 Resultat ... 29 6.3 Analys ... 31 7 Diskussion ... 33 8 Slutsats ... 34 9 Fortsatt arbete ... 34 10 Referenser ... 35 Bilaga 1 Litteraturlista ... 36

Sammanfattning

I genomförbarhetsstudien har ett nytt cirkulärt koncept för slitdelar utvecklats. Komplexa gjutna komponenter kan med bibehållet högt förädlingsvärde återtillverkas i många cykler genom upprepad pågjutning av nya funktionsskikt. Tillverkningsprocessen utgår från traditionell gjutning men nyttjar metallsmältans förmåga att nybilda starka intermediära skikt med den metalliska baskomponenten. Konceptet förutsätter en affärsmodell där användaren genom en kontrollerad rutin returnerar nedslitna men väldefinierade komponenter till tillverkaren i ett cirkulärt system.

Två komponentgjuterier deltog i genomförbarhetsstudien tillsammans med en tillverkare av anläggningar för pappers- och massaindustrin. I och med projektet gavs företagen möjlighet att pröva ett helt nytt produktkoncept med stor potential för framtida tillväxt. Grundläggande praktiska tester av gjuttekniska begränsningar i pågjutningssteget samt vidhäftningsförmåga och resulterande materialegenskaper har genomförts och ett antal tekniska utmaningar definierats. Produktions- och affärsmodeller har utvärderats.

Genomförbarhetsstudien visar att konceptet har potential att utgöra en integrerad del i en ny affärsmodell baserat på tjänster för återtillverkade gjutna komponenter. Detta kan leda till ökad användning av gjutning som ett processteg i återtillverkning av komponenter i komplexa applikationer och optimerad resursanvändning i hela värdekedjan

Under projektets gång konstaterades att det internationella forskningsunderlaget är bristfälligt inom återtillverkning. Parallellt med fortsatt utforskande av möjligheterna kring återtillverkning genom pågjutning finns därmed en stor potential för grundläggande forskningsinsatser inom området i sig. Svensk gjuteriindustri har goda förutsättningar att genom strategiska satsningar på området inleda en utveckling mot internationell spetskunskap.

1 Tillkomst

Förstudien ÅSAPÅG – Återtillverkning av gjutgods genom pågjutning finansierades av Vinnova genom utlysningen Ökad resursekonomi genom cirkulär ekonomi. Utlysningen öppnar för forskningsarbete i flera steg där förstudien kan ge förutsättningar för ett fortsättningsprojekt. Förstudien löpte från juni 2019 till februari 2020 med en total projektbudget på 650 000 kr. Dessutom finansierade RISE med egna medel en utvidgning av de praktiska försöken med ytterligare 100 000 kr (avsnitt 5.2). Forskningsutförare var RISE och projektledare Åsa Lauenstein. I projektgruppen deltog dessutom Johan Dahlström och Sten Farre, RISE, Stefan Virtanen, Cellwood Machinery, Per Ytterell, Smålands Stålgjuteri, och Mats Fredriksson, Österby Gjuteri.

2 Inledning

Att ställa om från linjär till cirkulär produktionsekonomi och bryta sambanden mellan ekonomisk tillväxt och miljöförstöring kräver nya lösningar och innovationer. Projektet bidrar till att nå Agenda 2030 och FN:s 17 Globala mål genom att stärka en hållbar konsumtion och produktion, skapa en hållbar industri och bekämpa klimatförändringen genom att öka resurseffektiviteten över gjutna järn- och stålkomponenters livscykel. För svenska järn- och stålgjuterier är ambitionen att skapa cirkulära materialflöden sedan länge en integrerad del av affärsmodellen då utgångsmaterialet för den gjutna produkten redan delvis är skrotbaserat. Här handlar det dock om en total omsmältning av hela produkter vilket innebär att en stor del av förädlingsvärdet går förlorat redan i degradering av materialet: nedgradering av stålkvaliteten i den totala skrothanteringen står för årliga värdeförluster på 1,5 miljarder kronor enbart i Sverige! Även förädlingsvärdet i själva gjutprocessen går givetvis förlorat. En cirkulär modell för gjutgods, som i högre grad behåller förädlingsvärdet i både material och komponent och även fungerar för komplexa multimaterial-produkter, har potential att radikalt ställa om gjuteribranschens fokus från generell materialåtervinning genom omsmältning till specifik återtillverkning. Detta leder i förlängningen till en förändrad affärsmodell där leverantören successivt övergår från att sälja en specifik produkt till att dynamiskt tillhandahålla en tjänst i ständig dialog med användaren.

Projektidéns koncept med en cirkulär modell för återtillverkning av komplexa gjutna komponenter genom pågjutning av nya funktionsskikt är hittills oprövat i en svensk och, så vitt vi vet, internationell kontext. Den primära orsaken till detta torde vara att nödvändiga drivkrafter i form av krav på resurseffektiv hållbarhet hittills har saknats inom detta branschsegment. Sverige har alltså förutsättningar att bli ett föregångsland i omställningen till cirkulära affärsmodeller för gjutna komponenter.

Projektidén är att utveckla en cirkulär modell för återtillverkning och återanvändning av gjutgods som i högre grad behåller förädlingsvärdet och fungerar även för komplexa multimaterial-produkter. En sådan modell skulle bidra med kraftigt ökad ekonomisk och miljömässig nytta. Multimaterial utgör en stor del av tillväxtpotentialen för svensk gjuteriindustri. Ett exempel på applikation som idag efterfrågar komplexa multimaterial är gjutna malsegment i slitstarkt vitjärn för sönderdelning av pappersmassa. Optimerad materialanvändning i olika delar av malsegmentet skulle ge en totalt sett lättare komponent, lägre materialkostnad för gjuteriet och minskad energiåtgång i användningsfasen. Genom smart innovativ design anpassas komponenten redan från början för resurssnål återtillverkning genom pågjutning av nya slitskikt av vitjärn på en mekaniskt överlägsen baskomponent av segjärn. Komponenten får ökad livslängd och

risken för haverier minskar medan prestanda bibehålls med avseende på funktion, nötning och korrosion.

De förbrukade, nednötta malsegmenten återförs slutligen till gjuteriet och går direkt in som nya baskomponenter i pågjutningsprocessen. På så sätt bibehålls förädlingsvärdet i baskomponenten och livslängden kan i gynnsamma fall mångdubblas. Samma tillverkningsprocess används för återtillverkad och ursprunglig komponent, men minskad omsmältning av segjärn för baskomponenten ger lägre energianvändning och ökad produktionskapacitet.

Den cirkulära modellen för återtillverkning av multimaterial-komponenter genom pågjutning är på intet sätt begränsad till detta konkreta exempel. Tvärtom bedöms modellen ha bärkraft på många högvolymprodukter från olika branscher, där den gemensamma nämnaren är komplext gjutgods med högt förädlingsvärde som kan återtillverkas genom pågjutning av olika funktionsskikt.

3 Syfte och mål

Det beskrivna konceptet är tidigare oprövat och förstudien (Etapp 1) syftade därför till att svara på två grundläggande frågor: dels om det kan genomföras med existerande teknik eller om nya tekniska lösningar måste utvecklas, dels om det är långsiktigt ekonomiskt och miljömässigt hållbart för specifika utvalda produkter. Fem konkreta delmål formulerades:

1. Nytt koncept utvecklat och formulerat

2. Potential verifierad för ökad miljönytta samt ekonomisk bärkraft 3. Omvärldsbevakning genomförd

4. Tekniska utmaningar identifierade

5. Plan formulerad för hur konceptet ska utvecklas för andra produkter och applikationer.

De fyra första målen har uppfyllts helt vid studiens slut. Två cirkulära affärsmodeller har formulerats och med utgångspunkt i en befintlig produkt har såväl tekniska förutsättningar som ekonomiska och miljömässiga effekter utvärderats. Det femte målet är ännu ej uppfyllt men utformning av plan för vidareutveckling tillsammans med ytterligare användare har påbörjats.

De olika arbetspaketens innehåll och leveranser sammanfattas i Tabell 1.

I Etapp 2 kommer konceptet att utvidgas till andra material och produkter och anpassas för implementering och integrering i befintlig produktion. Tekniken för pågjutning av funktionsskikt verifieras i fullskala för utvalda produkter från olika marknadssegment. Metodik för design, simulering och beredning av komponenter anpassade för återtillverkning arbetas fram. För att säkerställa kvalitet och livslängd för en specifik komponent behöver ett antal delproblem lösas som rör såväl design och materialval som process för att kontrollera bildningen av det intermediära skiktet mellan segjärn och vitjärn på såväl nya som återtillverkade komponenter. Affärsmodellen vidareutvecklas och anpassas till olika produkter.

Tabell 1. Arbetspaketens innehåll och leveranser i Etapp 1.

Arbetspaket Innehåll Leveranser

AP1 Behovsanalys Kravställning från användare och utförare

Omvärldsbevakning Definition av koncept

Affärsmodell Hållbarhetsanalys

AP2 Praktiska tester Design av testgeometri

Provgjutningar med valda legeringar

Demonstrator i pilotskala Arbetsmetodik

AP3 Vidareutveckling Utvidgat koncept för alternativa produkter

Formulerad konstellation av aktörer, produkter, metodik och kompetenser

Checklista för tillämpningar Plan för fortsättnings-projekt

AP4 Projektledning Intern och extern kommunikation

Slutrapport 2020-01-13

När Etapp 2 har avslutats är hela konceptet implementerat i fullskala vilket på kort sikt leder till mindre material- och energianvändning hos gjuteriet samt ökad livslängd och reducerad energianvändning i slutkundens applikationer. Med en ökad medvetenhet om återtillverkning genom pågjutning och dess fördelar genom att kunna optimera komponenters prestanda och ekonomiska hållbarhet med rätt material på rätt plats kan konceptet användas för ett stort antal komponenter och applikationer. På längre sikt kommer konceptet att utgöra en integrerad del i en ny tjänstefierad affärsmodell för återtillverkade gjutna komponenter. Det leder till ökad användning av gjutna komponenter i komplexa applikationer och optimerad resursanvändning i hela värdekedjan (Figur 1).

Figur 1. Effektlogik för återtillverkning av gjutgods genom pågjutning

3.1 Kravspecifikation

Förstudien i Etapp 1 koncentrerades helt och hållet på en specifik produkt, malsegment i vitjärn för att processa pappersmassa från återvunnet papper. Produkten tillverkas idag av flera olika gjuterier. Förstudien inleddes med en workshop för att definiera vilka tekniska och affärsmässiga kravspecifikationer som måste uppfyllas för att det nya konceptet med återtillverkning genom pågjutning ska anses vara intressant för denna komponent.

Tekniska aspekter som måste tillgodoses:

• Form och läge med avseende på passform och geometri

• Slitmån per segment

• Max tillåten viktvariation per segment

• Abrasiv nötningshastighet för komponent i drift • Det gjutna materialets mekaniska egenskaper

• Korrosionsegenskaper anpassade efter den faktiska användningsmiljön

Frågeställningar kring affärsmodellen:

• Hur påverkas kunden jämfört med traditionell hantering? Kostnadsbild spelar in men även logistik.

• Kravspecifikation för att utslitna produkter ska kunna återtillverkas beror av nötningsbild men också andra förändringar i material- och produktegenskaper. • Hur stor procent av använda produkter klarar kraven? Hur hanteras övrig andel? • Hur ser kontrollsystemet ut? Hos kunden bör maskinövervakning finnas under

drift och krav ställas på drifttid. Kunden måste göra en egenkontroll av komponenten. Även gjuteriet behöver göra en certifiering, till exempel med CT-scanner, inför beslut om återtillverkning eller nersmältning.

Dessa tekniska aspekter och frågeställningar styrde sedan såväl inriktning på omvärldsbevakning och arbetet med affärsmodeller som utformning av de praktiska testerna.

4 Omvärldsanalys

Pågjutna komponenter är materialtekniskt komplexa produkter och några tekniska utmaningar har definierats utifrån det rådande kunskapsläget. Fältet för fortsatt forskning har konstaterats vara omfattande. Endast ett fåtal kommersiella produkter med sammangjutning av järn eller stål som bärande idé har identifierats och ännu färre är patenterade. Ett av få exempel är slitdelar i applikationer för gruvindustrin. En studie av vetenskapliga arbeten inom området visar att generella teorier och beräkningsmodeller för pågjutning av dessa legeringar i dagsläget inte finns tillgängliga. Parallellt finns enstaka kommersiella exempel på att 3D-printing direkt på bearbetad yta kan vara en alternativ metod för högkostnadsprodukter.

4.1 Sökning i litteraturdatabaser om pågjutning

I denna förstudie behövde vi skapa oss en bild av hur mycket som har publicerats om pågjutning av järn på stål eller tvärt om för att testa en kommersiell produkts möjlighet att genomföra pågjutning som ersättning för material som har försvunnit genom abrasion. Det har i de flesta fall handlat om att gjuta på en legering mot en annan avvikande legering, till exempel har det publicerats mängder med artiklar där aluminiumlegeringar gjuts på varandra eller mot gjutjärn, stålgjutgods och stål. men endast lite har hittats som handlat om att återvinna en förbrukad komponent och skapa en ny och duglig produkt genom att gjuta på det material som har avverkats, genom till exempel nötning eller korrosion, för att skapa en ny.

Sökning har gjorts i flera kända databaser för forskningslitteratur, Science Direct, Springer Link, American Foundrymen Society’s Library och Researchgate samt de mest kända sökmotorerna på internet; Google, Bing och Yahoo.

Två sökbegrepp användes främst, Compound casting och Bi-metal i kombination med järn och stål samt inom citattecken för att avgränsa så långt det var möjligt. ”Compound casting” NOT Al/aluminium AND steel gav ett (1) sökresultat i Science Direct och var en gjutning av gummi mot en gjuten stålkomponent. Sökning i Researchgate gav en (1) artikel om vitjärn som gjuts mot ett stålgjutgods. Sökningen i AFS Library gav med liknande sökord en (1) artikel,

Sökning med ”bi-metalcasting” gav ett (1) sökresultat som visade sig vara en artikel om smide av kugghjul. Utan citattecken erhålls 9742 träffar men med ”bi-metal” castings gav det 101 träffar

Sökning på internet gav för ”compound casting” 14 900 sökresultat och ”compound steel casting” gav 735 träffar. En sökning av Verbundguss Eisen gav 2 820 träffar. Sökningen Bi-metalcasting process gav 8 102 000 träffar.

Resultatet av genomgången litteratursökning kan tolkas på olika vis, antingen har det inte genomförts någon mer genomgripande forskning inom området och det är relaterat till redan kända produkter och användningsområden eller så är det att forskningen inte har haft syftet att beskriva en pågjutningsprincip utan en beskrivning av hur ytan mellan de två materialen påverkas. I det senare fallet kan det då vara andra nyckelord som använts när rapporterna skrevs. Ur denna förstudie har ett trettiotal artiklar valts ut som relevanta som underlag för fortsatt arbete inom området återtillverkning (Bilaga 1).

Intressant är att sökning med ”re-manufacturing” gav två bra utfall, dels vår projektbeskrivning på Vinnova portal dels utdrag ur boken ”Remanufacturing in the circular economy” av Nabil Nasr. I kapitlet ”Designing for durability” skriver han bland annat:

Cost trade-offs should be made considering the extended product life cycle, including potential for multiple product/component remanufacturing cycles. This trade-off should also consider the options for restoration or repair of damage. Design for remanufacturing guidelines to assure product durability include:

• Consider design options to extend component life to multiple use cycles. • Use life cycle cost when evaluating trade-offs.

• Consider the use of sacrificial parts as wear surfaces to protect important components. • Design large components with replaceable wear surfaces rather than permanently cast.

Den litteratur som har hittats återfinns i Bilaga 1. Ur den kan man konstatera följande vad gäller sammanfogning mellan stål och gjutjärnsmaterial.

• Bättre bindning mellan gjutjärn och stål I: Borax (B-Na) har använts på ståldetaljer. Det binder oxider, ger bättre vätning och underlättar bindning (Wrobel). Har även använts vid varmkompaktering av pulver (CAP-processen). Även Si-pulver föreslås som reagens (patentansökan)

• Bättre bindning mellan gjutjärn och stål II: större mängd järn-smälta relativt stål ger bättre bindning (ger längre tid för att bilda diffusionszon (Xiong)

• Bättre bindning mellan gjutjärn och stål III: värmebehandling efter gjutning ger bättre bindzon (M. Ramadan)

• Bättre bindning mellan gjutjärn och stål IV: rent allmänt gäller för bra bindning att kol diffunderar från järn till stål; allt som hindrar detta (jmf. ovan) ger sämre bindning.

4.2 Produkter tillverkade genom sammangjutning.

Sammangjutning av två material har förekommit länge. Kända gjutna komponenter kan dokumenteras från ca 1500-talet före vår tideräkning, en krigsyxa med järnblad och pågjutet kopparfäste [1]. Från ca år 1000 före vår tideräkning under Chou- dynastin är det en bronsyxa och en dolk (Figur 2) där brons gjutits ihop med en egg av meteoritmetall [2].

Figur 1 Två bronsvapen från tidig Chou-dynasti ca 3000 år gamla av brons med eggen av järn [2].

De tillhör det kuriosa inslaget och är en sammangjutning mellan bearbetad metall från en meteorit och en bronslegering.

Det är den gängse metoden som även används idag för att tillverka kommersiella produkter där ett dyrare funktionellt material gjuts på ett vanligen enklare och billigare material. Ofta är det ett svårbearbetat material som har goda egenskaper mot nötning eller beständiga mot höga temperaturer

Det finns flera metoder för framställning av bimetallkomponenter som gjutning, fogning, vanligen svetsning eller diffusionsbindning, cladding-teknik, extrudering, valsning, pulvermetallurgi och additiv tillverkning. För gjutning handlar det om två metoder, smälta på smälta eller smälta på metall. Dessa två metoder kan delas upp enligt Figur 3 [3]. Omsätts detta till det som är aktuellt inom förstudien med pågjutning på utsliten komponent så blir resultatet det som visas i Figur 4. Systemet kan användas med och utan överlopp av smälta som gör att temperaturen i övergången mellan fast och flytande material ökar och därmed förbättrar den metallurgiska bindningen.

Figur 3. En beskrivning av de olika sammangjutningsmetoder som finns [3].

Figur 4. Uppställning för att pågjuta mot ett fast objekt.

Pågjutningsprocessen har utvecklats under 2000-talet och resulterat i signifikanta förändringar inom industrin främst inom sammangjutning av komponenter där nötning förekommer enligt den litteraturlista som finns i Bilaga 1. Två huvudspår finns: gjutning av smälta mot solida ämnen och smälta på smälta. Den vanligaste kombinationen är legerat vitjärn som arbetande material mot en bas av låglegerat gjutstål.

Bi-metalliska material kan tillverkas genom bindning mellan liknande och mellan olika material. Begränsning enligt litteraturen är gjutningen som är problematisk att kontrollera med gott resultat när det blir stora skillnader mellan godsdimensionerna eller när det blir

mindre komponenter. De mest lyckade resultaten uppnås när den pågjutna metallen får omsluta den solida komponenten.

Segment för tekniken där den används idag och har en potential att växa är bland annat • Cementindustrin • Krossningsindustrin • Bearbetningsindustrin • Gruvindustrin • Glasindustrin • Fordonsindustrin

Det som inte finns beskrivet i någon litteratur är återtillverkning av utslitna komponenter vilket torde öppna möjligheter att bedriva forskningen vidare inom detta område.

5 Praktiska tester

Grundläggande praktiska tester av gjuttekniska begränsningar i pågjutningssteget samt vidhäftningsförmåga och resulterande materialegenskaper kunde genomföras inom ramen för genomförbarhetsstudien. Testerna genomfördes dels i försöksmiljö dels på gjuterierna i realistiska processförhållanden. I första omgången göts vitjärn respektive stål på segjärn. I den andra göts låglegerat stål på bitar av malsegment av vitjärn.

Samtliga pågjutna testgeometrier utvärderades i tre steg och ingående parametrars betydelse belystes.

1. Fäster segjärnsplattorna mekaniskt i den pågjutna legeringen?

2. Hur ser gränsytan mellan segjärn och pågjuten legering ut i ett kapat tvärsnitt – mekanisk låsning eller metallisk bindning?

3. Mikroprov för strukturbedömning av sektioner med metallisk bindning. Finns gränsskikt? Har materialstruktur i segjärnsplattan påverkats?

Dessutom planerades initialt att göra torsionstest med eller utan pålagd tryckspänning och med homogent stål och vitjärn som referens. Fördelen med torsionstest är att det använts inom tidigare studier om sammangjutning på RISE.

Prover med god, sammanhängande vidhäftning skulle väljas ut för dessa tester. Tyvärr visade sig inga av de sammangjutna komponenterna duga till torsionstest eftersom partierna med metallisk bindning överallt var för små i förhållande till den totala gränsytan.

Vad gäller befintliga material har Cellwood materialreferenser för slagprov. Dels bedömdes detta vara svårt att åstadkomma från de aktuella proverna dels kan resultatet vara mindre relevant just för vidhäftning. En kombination av dessa metoder rekommenderas dock för fortsatt arbete i Etapp 2.

5.1 Vitjärn och stål på segjärn

En enkel testgeometri med basplattor av segjärn placerades i gjutformar och en slitstark funktionsyta av stål respektive vitjärn göts på. Inverkan av processtemperatur, legeringshalt, ytbehandling och kemiska tillsatser undersöktes och rangordnades.

5.1.1 Försöksupplägg

Baserat på omvärldsbevakningen valdes ett antal parametrar ut som särskilt intressanta för ett första screeningförsök: Materialkombination, ytstruktur, användning av flussmedel samt förvärmning av basplattan. Dessa fyra parametrar kombinerades enligt Tabell 2 med åtta olika kombinationer samt två dubbletter (B+C samt J+K). Dessutom varierades godstjocklek då en tunn och en tjock platta placerades i varje gjutform, vilket sammantaget gav fem försöksparametrar och totalt 8*2=16 olika kombinationer plus 2*2=4 dubbletter. Tabell 2. Försöksupplägg Trappa nr Pågjutet material Ytbehandling Fluss-medel För-värmning Gjuteri A Vitjärn Grovbearbetad N N SSG B Vitjärn Grovbearbetad N J SSG C Vitjärn Grovbearbetad N J SSG D Vitjärn Frästa spår N N SSG E Vitjärn Frästa spår N J SSG

F Rostfritt Grovbearbetad N N ÖGAB

G Rostfritt Grovbearbetad J N ÖGAB

H Rostfritt Frästa spår N N ÖGAB

J Rostfritt Frästa spår J N ÖGAB

K Rostfritt Frästa spår J N ÖGAB

Figur 5. Tjocka och tunna gjutna bottenplattor i segjärn

De 10 tunna och 10 tjocka bottenplattorna göts i segjärn i RISE försöksgjuteri i Jönköping (Figur 5). Plattorna bearbetades grovt med slipskiva och i hälften av dem frästes spår i ett rutmönster på ytan (Figur 6). Som flussmedel användes Barinoc som är ett vanligt ympmedel för segjärn. Det förväntades underlätta uppsmältning av segjärnsytan och främja en gynnsam återbildning av materialet. Förvärmning av segjärnsplattorna gjordes i värmebehandlingsugn i normal atmosfär vid 600 °C innan 1 tunn och 1 tjock platta lyftes över i gjutformen. Pågjutning av vitjärn gjordes på Smålands Stålgjuteri och av rostfritt stål på Österby Gjuteri.

Figur 6. Grovbearbetade plattor och plattor med frästa spår

5.1.2 Sammangjutningar

5 tunna och 5 tjocka bottenplattor av segjärn skickades till varje gjuteri och placerades i gjutformar. Smältan göts in över den tjockare plattan och en matare placerades över den tunnare (Figur 7). Gjuttemperatur för vitjärn var 1450 °C och för rostfritt stål 1560 °C. Resultatet blev en ca 10 mm tjock platta av vitjärn respektive rostfritt stål med varierande grad av vidhäftning till de båda segjärnsplattorna (Figur 8).

Figur 7. Design av gjutsystem: matare/ingjut (brun), pågjuten metall (grå), bottenplattor i segjärn (svart).

5.1.3 Utvärdering

Utfallet från de två gjutningarna sammanfattas i Tabell 3 samt Figur 9a och 9b. I ett par fall blev det ingen vidhäftning alls mellan pågjutet material och segjärnsplattor. De grova plattorna i B och C låg högt i formen och hamnade delvis inuti det pågjutna vitjärnet, vilket gav en mekanisk vidhäftning. Plattorna lossnade dock vid kapning. Tre kombinationer för vitjärn och tre för rostfritt gav till synes god vidhäftning och mikroprover kapades ut. I samtliga sex fall kunde metallisk bindning konstateras till följd av uppsmältning och minst tre metalliska zoner kunde identifieras i varje prov. Figur 10 visar ett exempel på kontaktyta mellan pågjutet rostfritt stål (överst i bild) och tjock segjärnsplatta med frästa spår (prov J). Figur 11 med pågjutet rostfritt stål mot grovbearbetad tunn segjärnsplatta (prov G) visar hur vissa delar av plattan bildat en metallisk bindning mot stålet med en tunn intermediär fas, medan andra delar helt saknar kontakt.

Tabell 3. Utfall vid pågjutning

Trappa nr Pågjutet material Ytbehandling Fluss-medel För-värmning Vid-häftning Mikro-prov

A Vitjärn Grovbearbetad N N Ja, grova

plattan

X

B Vitjärn Grovbearbetad N J Mekanisk*

C Vitjärn Grovbearbetad N J Mekanisk* (dubblett)

D Vitjärn Frästa spår N N Ja, delvis X

E Vitjärn Frästa spår N J Ja, delvis X

F Rostfritt Grovbearbetad N N Nej

G Rostfritt Grovbearbetad J N Ja, delvis X

H Rostfritt Frästa spår N N Ja, delvis X

J Rostfritt Frästa spår J N Ja, delvis X

K Rostfritt Frästa spår J N Endast

grov platta

(dubblett)

Figur 9b. Gjutna komponenter F-J, rostfritt stål mot segjärnsplattor.

Figur 10. Pågjuten rostfri stålyta (överst) mot tjock segjärnsplatta med frästa spår (prov J). Gjuttemperatur 1560 °C, ingen förvärmning, flussmedel.

Figur 11. Pågjuten rostfri stålyta mot grovbearbetad tunn segjärnsplatta (prov G). Gjuttemperatur 1560 °C, ingen förvärmning, flussmedel.

Utvärderingen av gjutresultatet och analysen av mikroproverna syftade till att identifiera trender och utvärdera den relativa betydelsen av de olika parametrarna för sammangjutningsresultatet. Jämförelsen var kvalitativ snarare än kvantitativ. Fem tydliga slutsatser kunde dras (i-v):

i. Fler grova än tunna plattor fäster i pågjutet material. Skillnaden är påtaglig för

vitjärnet och hänger troligast ihop med formdesignen, då vitjärnssmältan göts in rakt över den grova plattan vilket i praktiken gav en förvärmning av segjärnsytan och kompenserade för ev. större kyleffekt pga. tjocklek. I ett fall (D) visar mikrobilder av tjock respektive tunn platta att vidhäftningen är betydligt sämre för den tunna (Figur 12a-c).

Figur 12a. Prov D vitjärn mot tjock segjärnsplatta, frästa spår, ingen förvärmning, inget flussmedel.

Figur 12b. Prov D vitjärn mot tjock segjärnsplatta, högre förstoring, metallisk bindning.

Figur 12c. Prov D vitjärn mot tunn segjärnsplatta, samma förstoring som 1b, dålig vidhäftning.

ii. Gjuttemperaturen inverkar. Rostfritt stål ger fler plattor med metallisk kontakt än

vitjärn. Gjuttemperaturen var drygt 100 grader högre för rostfritt, 1560 °C mot 1450 °C. Matarplaceringen var likvärdig i båda fallen (Figur 13a och b). En tredje, intermediär metallisk fas har bildats i gränsytan.Tecken finns också på koldiffusion över gränsytan.

Figur 13a. Prov H, rostfritt mot segjärn, frästa spår.

Figur 13b. Prov D, vitjärn mot segjärn, frästa spår.

iii. Frästa spår ger sämre kontakt med smältan då de ”inre hörnen” i flera fall blev

ofullständigt fyllda (Figur 14 a och b). Om denna effekt kompenseras av mekanisk låsning skulle kunna analyseras genom till exempel torsionstest, vilket dock inte gjordes i detta fall.

Figur 14a. Prov H, rostfritt mot segjärn, frästa spår.

Figur 14b. Prov D, vitjärn mot segjärn, frästa spår.

iv. Flussmedel påverkar uppsmältning och mikrostruktur. De grovbearbetade plattorna

utan flussmedel (F) har inte fäst medan motsvarande plattor med flussmedel (G) har fått en god uppsmältning. För plattorna med frästa spår (H och J) har uppsmältning skett både med och utan flussmedel, men flussmedel påverkar segjärnsstrukturen och skapar en fjärde metallisk zon där grafiten har deformerats (Figur 15a och b)

Figur 15a. Prov H rostfritt mot segjärn, inget flussmedel

Figur 15b. Prov J rostfritt mot segjärn, med flussmedel. En fjärde metallisk zon med deformerad grafit har bildats. v. Förvärmning gav sämre vidhäftning i samtliga fall. Segjärnsplattorna slog sig i ugnen

och fick ett yttre glödskal. De var också svåra att hantera och montera i formarna. De tjocka grovbearbetade plattorna fäste tillfälligt på grund av att smälta trängde in även på sidorna, men lossnade vid kapning. De räfflade plattorna fäste i vitjärnet men mikrobilder visar ett ca 100 µm tjockt glödskal mellan de metalliska faserna (Figur 16).

Figur 16. Prov E med glödskal i gränsytan mellan tunn vitjärnsplatta och pågjutet segjärn.

Sammanfattningsvis konstateras därmed att

i. Fler grova än tunna plattor fäster i pågjutet material, vilket troligast är en effekt av ingjutsystemet.

ii. Rostfritt ger fler plattor med metallisk kontakt än vitjärn då gjuttemperaturen är högre. En tredje, intermediär metallisk zon har bildats i gränsytan och tecken finns på koldiffusion över gränsytan.

iii. Frästa spår ger mekanisk vidhäftning/låsning vilket leder till metallisk kontakt i

vissa delar men inte andra.

iv. Flussmedel påverkar segjärnsstrukturen och ger områden med god metallisk kontakt och en fjärde metallisk zon med deformerad grafit.

v. Förvärmningen inte kan utvärderas då de tunna plattorna slog sig vid värmningen och glödskal bildades på ytan.

5.2 Stål på vitjärn

En av parametrarna i det första försöket, förvärmning av bottenplattan, visade sig svår att utvärdera då samtliga segjärnsplattor utvecklade ett oxidskikt vid förvärmningen vilket förhindrade effektiv kontakt med smältan. Förvärmning har dock av flera referenser nämnts som en viktig positiv faktor för att forma en god metallisk bindning och alternativa metoder för att förvärma utan atmosfärisk kontakt förväntas ge annat utfall. Därför prövades i nästa steg en alternativ metod för förvärmning, att låta ett överskott av smälta flöda genom gjutformen förbi bottenplattan som därmed värms upp utan att exponeras för atmosfären.

5.2.1 Försöksupplägg

En försöksgeometri togs fram inspirerad av malsegmentens utformning, där det pågjutna stålet bildade en tunn platta med tänder på ena sidan. Den andra, släta sidan förväntades ge en god vidhäftning till en vitjärnsbit hämtad ur ett verkligt malsegment. På så vis skulle processen efterlikna pågjutning av nya tänder i stål på ett förbrukat segment. Geometrin visas i Figur 17a och b med mått respektive volymer angivna. Blått parti leder överskott av smälta vidare till en ”dummy”-volym i gjutformen. Helt fylld skulle denna innehålla omkring 10 gånger volymen i övriga gjutsystemet.

Figur 17a. Försöksgeometri för det gjutna stålet. Alla mått i mm.

Tabell 4. Gjutformar i försöket

Gjutordning Förvärmning Extra fäste

1 Ja Ja 2 Ja Ja 3 Nej Ja 4 Nej Ja 5 Ja Nej 6 Ja Nej 7 Nej Nej 8 Nej Nej

Åtta små bitar av malsegment från Cellwood placerades i sandform och stålsmälta av 2225-typ göts på med en gjuttemperatur på 1623 °C. Hälften av bitarna förvärmdes genom att en större volym smälta passerade genom gjutformen. Resultatet utvärderades genom mikrostrukturundersökning av gränsskikt. För att möjliggöra ett torsionstest göts några bitar med ett litet torn för att spännas upp i en hållare. (Tabell 4) men testet utfördes aldrig då ingen vidhäftning förekom mellan de två materialen.

5.2.2 Gjutning

Åtta små bitar kapades ut från malsegment i vitjärn från Cellwood. Bitarna varierade något i storlek men var typiskt 40x50 mm stora med en tjocklek på ca 10 mm (Figur 18).

Figur 18. Uttag av provbitar i vitjärn ur malsegment från Cellwood.

Totalt åtta vitjärnsbitar formades in med den plana ytan mot godset (Figur 19). En större ”dummy”-volym var kopplad till godset i förhoppning att åstadkomma en förvärmning av vitjärnet under formfyllnaden. I fyra av formarna pluggades denna volym igen för att utesluta förvärmning. Dessutom fick två av de pluggade formarna och två av de opluggade dessutom ett extra fäste mot ”tandsidan” den gjutna stålplattan för att förbereda för senare torsionstest (Tabell 4). Formarna monterades fyra och fyra på gjutbordet (Figur 20). Smälta av 2225-typ göts på med en gjuttemperatur på 1620 °C.

Figur 19. Gjutform med tandad geometri, ”dummy”-volym och kapad ur platta från malsegment.

Figur 20. Form 1–4 och 5–8 monterade för avgjutning

5.2.3 Utvärdering

Av de åtta mindre formarna fylldes flertalet väl. Den första i varje serie (1 och 5) fylldes endast delvis, kanske på grund av att snabbt stelnande stålstänk täppte till gjutsystemet. Figur 21 och 22 visar godset efter urslagning.

• Av de fyra ”opluggade” formarna har den extra volymen fyllts i varierande grad. Tre vitjärnsbitar hänger kvar (1, 2, 6) medan en ligger löst i formen (5).

• Samtliga vitjärnsbitar i de ”pluggade” ligger löst i formen, ingen har fäst i stålet. • De lösa vitjärnsbitarna har alla en lätt oxiderad yta.

Figur 21. Gjutresultatet från formar 1–8

Figur 22. Prov 2 med förvärmning och god vidhäftning samt prov 3 utan förvärmning och lös vitjärnsbit med lätt oxiderad yta.

De fyra komponenter som göts helt utan förvärmning (3, 4, 7, 8) visade inga som helst tecken på vidhäftning mellan smälta och vitjärnsbit. Resultatet för de fyra komponenter som göts med förvärmning visas i Tabell 5. I form 5 fylldes den extra volymen endast till 5% vilket motsvarar halva volymen i övriga ingjutsystemet. Ingen vidhäftning kunde påvisas mellan stål och vitjärnsbit. I formar 1, 2 och 6 fylldes den extra volymen till ungefär 10%, 70% och 50% vilket motsvarar hela, 7 gånger och 5 gånger volymen i övriga systemet. Här fanns en mekanisk vidhäftning mellan stål och vitjärn.

Tabell 5. Utfall av förvärmda prover

Prov Fyllnadsgrad Volyms-förhållande Mekanisk vidhäftning Metallisk bindning 1 10% 1:1 Ja Nej 2 70% 7:1 Ja Ja, delvis 5 5% 1:2 Nej Nej 6 50% 5:1 Ja Nej

De tre komponenterna med vidhäftning undersöktes sedan med avseende på eventuell förekomst av metallisk bindning. Prov 1, 2 och 6 i oetsat respektive etsat utförande visas i cirka 30x förstoring i Figur 23, 24 och 25.

Figur 23. Oetsat och etsat prov 1. Ingen metallisk bindning påvisad.

Figur 25. Oetsat och etsat prov 6. Ingen metallisk bindning påvisad.

Samtliga prover föll isär vid kapningen vilket visar att vidhäftningen inte var fullständig. För proverna 1 och 6 kan ingen metallisk vidhäftning påvisas i de uttagna mikroproverna och vitjärnets struktur är till synes opåverkat av processen. I prov 6 däremot finns metallisk vidhäftning i kortare partier. I större förstoring anas början av en intermediärfas i gränsen mellan legeringarna, men den är mycket tunn (Figur 26).

Figur 26. Etsat prov 2 i högre förstoring. Metallisk bindning mellan vitjärn och stål.

Sammanfattningsvis konstateras att förvärmning av vitjärnsplattan i formen genom att en större volym smälta flödar förbi ger viss effekt. I detta exempel krävdes 7 gånger volymen i övriga gjutsystemet för att ge åtminstone delvis uppsmältning och metallisk bindning.

5.3 Slutsatser av försöksgjutningar

Grundläggande praktiska tester av gjuttekniska begränsningar i pågjutningssteget samt vidhäftningsförmåga och resulterande materialegenskaper har genomförts. Utvärderingen har fokuserat på dels om en mekanisk vidhäftning mellan substrat och pågjuten metall har åstadkommits dels om metallisk bindning med eller utan intermediärzon kan påvisas i mikroskopisk undersökning. Den enskilt viktigaste parametern har, inte oväntat, visat sig vara temperaturförhållandena i gjutprocessen, och därefter användning av flussmedel. Bearbetning av ytan inverkade främst på graden av mekanisk vidhäftning. Detta bekräftar vad som framkom i litteraturgenomgången (avsnitt 4.1).

Temperaturförhållandena i processen och därmed graden av uppsmältning av den kalla komponentens yta är kopplade till flera parametrar. De utförda försöken visar att gjutsystemets utformning har avgörande betydelse, exempelvis placering av matare. Att förvärma den kalla komponenten utanför gjutformen ger praktiska svårigheter i hanteringen men också uppenbar risk för glödskal på ytan om inte hela processen kan ske under skyddsgas. Uppvärmning av komponenten i gjutform är av detta skäl att föredra och testerna med extra volym smälta bekräftade att detta är möjligt. Det är dock av flera skäl önskvärt att minimera mängden material i processen (se avsnitt 6) och det vore därför intressant att hitta alternativa vägar att tillföra extra värme till komponenten under avgjutningen.

6 Hållbarhetsanalys och affärsmodell

Projektet har utvärderat material- och produktflöden samt affärsmodeller för återskapande av funktionsvärde; pågjutning respektive 3D-printing. Dessa båda jämförts med material- och produktflöde för gjuten produkt framställd genom traditionell gjutning.

6.1 Metod och genomförande

6.1.1 Flödesbeskrivning och inventering

Projektet har utvärderat två olika produktflödesscenarion som baseras på en affärsmodell där produkterna återtas för att återtillverkning och sedan skickas tillbaka till kunden för en ny användningscykel. Dessa båda scenarion har ställts mot ett konventionellt produktflöde där produkten gjuts i sin helhet, skickas till kunden för att användas och materialåtervinns sedan när produkten är utsliten. Inför återtillverkningen antas material slipas bort och återföras både vid pågjutning och vid 3D-printing. Produkten används i tre världsdelar dit produkterna antas fraktas med båt mellan kontinenterna och med lastbil inom kontinenterna i alla tre scenariona.

Kartläggning och inventering av de befintliga och tilltänkta produktions- och affärsmodellerna har gjorts för att illustrera och kvantifiera de olika stegen över produktens livscykel, dvs övergripande tillverkning, transport, användning och resthantering.

A Material- och produktflöde för återtillverkning genom pågjutning

I detta scenario görs gjutprocessen om i två steg. I första steget gjuts ett basämne varefter ett funktionsskikt gjuts på basämnet i ett andra steg. Produkten bearbetas sedan analogt med den konventionella efterbearbetningsprocessen på gjuteriet samt i bearbetningsverkstad varefter den distribueras via lastbil och båt till kunden för användning. Efter att produkten är utsliten efter användning skickas den i retur till en uppsamlingshub på respektive kontinent där produkterna mellanlagras på pall. När

tillräcklig volym av produkten har samlats upp skickas pallarna åter till Sverige via samma transportvägar som vid leverans för återtillverkning genom pågjutning i andra processteget. Produktcykeln beskrivs i Figur 27.

Figur 27. Material- och produktflöde för återtillverkning genom pågjutning. B Material- och produktflöde för återtillverkning genom 3D-printing

I detta scenario sker gjutprocessen på konventionellt sätt genom enstegsgjutning med efterföljande bearbetning varefter den distribueras via lastbil och båt till kunden för användning. När produkten är utsliten skickas den i retur till en uppsamlingshub där återtillverkning görs med hjälp av 3D -printing och efterbearbetning. Därefter sker en kvalitetskontroll varefter produkten skickas tillbaka till kunden med lastbil för användning i en ny cykel. Produktcykeln beskrivs i Figur 28.

6.1.2 Värdering

Som metod för att värdera miljöpåverkan har miljöpåverkansbedömning enligt ReCiPe endpoint används [4]. Bedömningsmetoden är en sammanviktad bedömning av

18 olika miljöpåverkans-kategorier och tar hänsyn till inverkan på människors hälsa, biodiversitet samt naturresurs tillgångar. I metoden ingår följande miljö påverkanskategorier: 1. Klimatpåverkan 2. Ozonskiktsuttunning 3. Markbunden försurning 4. Övergödning i sjöar 5. Övergödning I mark 6. Humantoxicitet

7. Marknära ozon eller sommarsmog 8. Partiklar 9. Ekotoxicitet i mark 10. Ekotoxicitet i sötvatten 11. Ekotoxicitet i hav 12. Joniserande strålning 13. Markanvändning, jordbruk 14. Markanvändning, stad 15. Markomvandling 16. Vattenutarmning 17. Mineralresursutarmning 18. Fossilbränsleutarmning

Metoden väger samman påverkande faktorer så som visas i 29 till ett slutvärde; en endpointeffekt.

Merparten av bedömningsvärdena har hämtats ur litteraturen [4]. Några data har dock även kompletterats med bedömningsvärden hämtade ur programvaran SIMAPRO med motsvarande parametrar inställda som för bedömningsvärdena som för de som hämtats ur litteraturen. I beräkningarna som gjorts i denna studie används bedömningsvärdena sedan genom att multiplicera med de material- och energikvantiteter som skattas vid inventeringen av produktlivscyklerna. Skattningar av kvantiteterna gjorts baserade på data som framkommit vid försöksgjutningarna samt approximationer utifrån vanlig gjutning. Värdena på kvantiteterna har sedan normaliserats utifrån den funktionella enheten 1 kg slutprodukt.

Vid värderingen har flera antagande blivit nödvändiga att göra. För elanvändningen har en mix, dvs ett genomsnittligt värde från den mix av energikällor som används i landet eller på kontinenten. Elmix för Sverige, Europa, USA respektive Kina har använts. För den monetära värderingen har alla värden räknats om i svenska kronor. I flera fall har priser på transport och material angivits i US dollar. Dollarkursen har här sats till 9,47 kr. Elpriset har satts till 0,40 kr i Sverige, 0,097 USD/kWh i Kina, 0,1319 USD/kWh i USA samt 0,1499 USD/kWh i EU.

Figur 29. Övergripande struktur av ReCiPe-metoden. Listan av resurser och utsläpp till vänster i Figuren beräknas via midpointeffekter till en endpointeffekt, uttryckt som än en dimensionell siffra, i Figurens högra sida.

6.2 Resultat

Analysen indikerar att när pågjutning används i cykler är både miljönyttan och den ekonomiska lönsamheten under produktlivscykeln större än om traditionell gjutning används, se Figur 30, 31 och 32.

Figur 30. Miljöpåverkan för tre olika scenarion för tillverkning och användning av malsegment för marknad inom EU.

Figur 31. Miljöpåverkan för tre olika scenarion för tillverkning och användning av malsegment för marknad USA.

Figur 32. Miljöpåverkan för tre olika scenarion för tillverkning och användning av malsegment för marknad Kina.

Pågjutning av funktionsskikt med 35 % av totalvikten lönar sig redan vid första återtillverkningstillfället då konventionellt gjutna produkter gjuts i sin helhet vid varje cykel och därför krävs motsvarande mer smält metall. Vid fjärde recirkuleringen visar analysen att miljönyttan nästan är 50% större. Däremot indikerar analyserna att om 35 % av totalvikten ska påföras är 3D-printing varken ekonomiskt eller miljömässigt fördelaktigt. Endast om mängden metall för att återskapa funktionen minskar till drygt hälften, dvs ca 15 % av totalvikten blir 3D-printing ett miljömässigt likvärdigt alternativ till pågjutning.

Ekonomiskt lönar sig 3D-printing först om mindre än 1,5 % av totalvikten behöver påföras, se Figur 33, 34 och 35. Orsaken är att 3D-printing kräver avsevärt mer elenergi än de andra två alternativen vilket har stort genomslag i analysen. Miljöpåverkan beror också på hur elen framställts vilket skiljer sig betydligt åt beroende på nationell elproduktion. Kurvan för 3D-printing i Kina men även USA är således betydligt brantare

än för EU. Detta beror på att mixen av producerad el i dessa länder har ett stort inslag av kolkraftsproducerat el.

Figur 33. Kostnad för tre olika scenarion för tillverkning och användning av malsegment för marknad inom EU.

Figur 34. Kostnad för tre olika scenarion för tillverkning och användning av malsegment för marknad i USA.

6.3 Analys

Projektet har utvärderat två produktions- och affärsmodeller för återskapande av funktionsvärde med lägre miljö- och resursbelastning; pågjutning respektive 3D-printning vilka båda jämförts med traditionell gjutning. Både miljönyttan och den ekonomiska lönsamheten är större än traditionell gjutning redan vid första återtillverkningstillfället om pågjutning av funktionsskikt används, visar resultaten. Vid fjärde recirkuleringen blir miljönyttan nästan 50% större. Däremot indikerar analyserna att 3D-printning inte är vare sig ekonomiskt eller miljömässigt fördelaktigt jämfört med pågjutning eller traditionell gjutning.

Figur 35. Kostnad för tre olika scenarion för tillverkning och användning av malsegment för marknad i Kina.

Metoden kräver betydligt mer elenergi än de andra två alternativen och detta får stort genomslag i analysen. Endast om väsentligt mindre mängd metall behöver appliceras för att återskapa funktionen blir 3D-printning ett miljömässigt och ekonomiskt alternativ i jämförelse.

Affärsmodellerna bygger på ett cirkulerande komponentflöde mellan slutkund och återtillverkningsfabrik. Produktägare kan vara gjuteriet eller dess kund som hyr ut funktionen till en slutkund. I fallet pågjutning förutsätts att utslitna komponenter skickas fram och tillbaka från marknader både i och utanför EU till Sverige för pågjutning. Fallet 3D-printing utgår från en gjuten produkt tillverkad i Sverige men transporterna kan minskas kraftigt genom att återtillverkningen skulle kunna ske lokalt på olika kontinenter. Utvärderingen har gjorts med hjälp av metoder baserade på livscykel- och livscykelkostnadsanalys.

Alternativ till pågjutning:

• Pritning vid varje hub: Ett malsegment väger ca 8 kg. Metallpulver kostar ca 250 kr/kg. Skattat måste 0,5 kg avlägsnas/printas på. Mtrl kostnad blir 125 kr/malsegment

• Det finns servicebyråer för metallprinting idag. En sådan skulle kunna agera 3:e part för att 3D-printa och kunden betalar per enhet.

Konceptet där slitdelar återtillverkas i många cykler genom upprepad pågjutning av nya funktionsskikt har formulerats för produkt, process och tjänst. Förutsatt att en pågjuten komponents kvalitetskrav kan uppfyllas, har genomförbarhetsstudien visat att den cirkulära affärsmodellen leder till påtagligt minskad material- och energianvändning under dess totala livscykel. Återtransport från kund till gjuteri samt det pågjutna materialets relativa andel av den återtillverkade komponenten är avgörande parametrar för såväl miljöbelastning som kostnadsutfall. En checklista har tagits fram där specifika produkter kan utvärderas i detalj utifrån materialval, gjutvikt, energiåtgång vid smältning, transporter, antal återtillverkningscykler och så vidare.

7 Diskussion

Konceptet där slitdelar återtillverkas i många cykler genom upprepad pågjutning av nya funktionsskikt har formulerats för produkt, process och tjänst. Förutsatt att en pågjuten komponents kvalitetskrav kan uppfyllas, har genomförbarhetsstudien visat att den cirkulära affärsmodellen leder till påtagligt minskad material- och energianvändning under dess totala livscykel. Återtransport från kund till gjuteri samt det pågjutna materialets relativa andel av den återtillverkade komponenten är avgörande parametrar för såväl miljöbelastning som kostnadsutfall. En checklista har tagits fram där specifika produkter kan utvärderas i detalj utifrån materialval, gjutvikt, energiåtgång vid smältning, transporter, antal återtillverkningscykler och så vidare. Konceptet har goda förutsättningar att vidareutvecklas genom att ytterligare frågeställningar adderas:

• Marknadsanalys med avseende på hållbarhetsaspekter kopplat till potentiella kunders betalningsvilja,

• Kostnad i förhållande till nya och återtillverkade komponenters prestanda, • Effekter på kostnadsbild och hållbarhetsaspekter då även för- och efterarbetning

samt hantering kring återtillverkning infogas i modellen,

• Alternativa applikationer där nötning men också korrosion begränsar komponentens livslängd.

Under projektets gång har de deltagande parterna, gjuterier, kund och forskningsutförare, haft en kontinuerlig dialog kring bärkraften i det nya affärskonceptet. Omvandlingen från en linjär till en cirkulär affärsmodell för den specifika produkten har prövats utifrån faktiska krav på lönsamhet och produktprestanda. Utifrån dessa krav har de tekniska lösningarna för framställningsprocessen testats och utvärderats. Detta iterativa arbetssätt har varit nyckeln till den goda måluppfyllelse som nåtts i projektet.

Omvärldsbevakningen som till en början gav ett fåtal artiklar, relaterat till forskning kring pågjutning eller sammangjutning av material med järn som bas, med sökord som; compound casting, bi-metal och Verbundguss Eisen kompletterades under projekttiden kontinuerligt utifrån de nya idéer och vägval som framkom. Antalet artiklar inom området pågjutning, som är en nödvändighet för återtillverkning, blev vid projektets slut av en rimlig nivå. Forskningen har en tyngdpunkt på vad som sker metallurgiskt genom bland annat svetsning och ytbeläggning med laser eller plasma av olika material och utvärdering av strukturen i den sammanfogade zonen.

Trots att ett antal kommersiella produkter identifierats, vilka framställts genom en pågjutningsprocess, konstaterades att det internationella forskningsunderlaget är bristfälligt inom återtillverkning. Resultaten är dock användbara för att förstå vad som kan ske i övergångszonen när två olika järnhaltiga material gjuts mot varandra. Parallellt med fortsatt utforskande av möjligheterna kring återtillverkning genom pågjutning finns därmed en stor potential för grundläggande forskningsinsatser inom området i sig. Svensk gjuteriindustri har goda förutsättningar att genom strategiska satsningar på området inleda en utveckling mot internationell spetskunskap. Exempel på intressanta tekniska frågeställningar för sammangjutning är

• Vilka ekonomiskt intressanta materialkombinationer som är tekniskt fördelaktiga,

• Förbehandling genom mekanisk eller kemisk ytmodifiering,

• Användning av flussmedel för uppsmältning och bildning av metallisk bindningszon,

• Optimering av gjutsystem och temperatur på ingående smälta,

• Alternativa vägar att tillföra extra värme till komponenten under avgjutningen, • Efterföljande värmebehandling för att modifiera metallisk bindningszon.

8 Slutsats

I genomförbarhetsstudien har ett nytt cirkulärt koncept för slitdelar utvecklats. Komplexa gjutna komponenter kan med bibehållet högt förädlingsvärde återtillverkas i många cykler genom upprepad pågjutning av nya funktionsskikt. Tillverkningsprocessen utgår från traditionell gjutning men utnyttjar metallsmältans förmåga att nybilda starka intermediära skikt med den metalliska baskomponenten. Konceptet förutsätter en affärsmodell där användaren genom en kontrollerad rutin returnerar nedslitna men väldefinierade komponenter till tillverkaren i ett cirkulärt system.

Två komponentgjuterier deltog i genomförbarhetsstudien tillsammans med en tillverkare av anläggningar för pappers- och massaindustrin. I och med projektet gavs företagen möjlighet att pröva ett helt nytt produktkoncept med stor potential för framtida tillväxt. Grundläggande praktiska tester av gjuttekniska begränsningar i pågjutningssteget samt vidhäftningsförmåga och resulterande materialegenskaper har genomförts och ett antal tekniska utmaningar definierats. Produktions- och affärsmodeller har utvärderats.

Genomförbarhetsstudien visar att konceptet har potential att utgöra en integrerad del i en ny affärsmodell baserat på tjänster för återtillverkade gjutna komponenter. Detta kan leda till ökad användning av gjutning som ett processteg i återtillverkning av komponenter i komplexa applikationer och optimerad resursanvändning i hela värdekedjan.

Under projektets gång konstaterades att det internationella forskningsunderlaget är bristfälligt inom återtillverkning. Parallellt med fortsatt utforskande av möjligheterna kring återtillverkning genom pågjutning finns därmed en stor potential för grundläggande forskningsinsatser inom området i sig. Svensk gjuteriindustri har goda förutsättningar att genom strategiska satsningar på området inleda en utveckling mot internationell spetskunskap.

9 Fortsatt arbete

Samtliga projektparter från genomförbarhetsstudien avser att driva samarbetet vidare inför Etapp 2. Diskussioner har inletts med ytterligare två slutanvändare för att bredda antalet applikationer, då såväl affärsmodellen som de tekniska möjligheterna bedöms ha bäring på andra produkter.

Vid framtagning av kravspecifikation för produkt och process samt planering och genomförande av praktiska tester deltog samtliga projektparter. Inför Etapp 2 kommer tekniska experter på ytor, fasberäkningar, korrosionsfrågor, utfallstester, kvalitetssäkring och efterbehandling att involveras då det rådande tekniska kunskapsläget för pågjutning har visat sig vara otillräckligt.

Aktörer inom forskning och utveckling av hållbara affärsmodeller inom RISE-koncernen har involverats under genomförbarhetsstudien i utformningen av affärsmodell och hållbarhetsanalys. Detta engagemang kommer att fördjupas inför Etapp 2.

10 Referenser

[1] Vagn Buchwald, Iron and steel in ancient times, Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab, ISBN 87-7304-308-7, p18, p73-75, (2005).

[2] Rutherford J. Gettens, Roy S. Clarke, JR., W. T. Chase, Two early Chinese bronze weapons with meteoritic iron blades, Occasional Papers vol. 4 NO 1 (1971)

[3] Y. Aftandilyants, Manufacturing technology of bimetallic castings by high durability, Innovations Market for R&D April 16-20, Hannover (2007)

[4] Zackrisson, M. Indikatorer för bedömning av miljöpåverkan. Swerea IVF-rapport 14004. ISSN 1404-191X. Mölndal (2014)

Bilaga 1 Litteraturlista

M. Ramadan, New trends and advances in bi-metal casting technologies, International Journal of Advanced and Applied Sciences, 6(2), p 75-80 (2019)

Mohamed Ramadan, Interface Structure and Elements Diffusion of As-Cast and Annealed Ductile Iron/Stainless Steel Bimetal Castings, Engineering, Technology & Applied Science Research, Vol. 8, No. 2, p2709-2714 (2018)

Yongcun Li, et al, Diffusion behavior and mechanical properties of high chromium cast iron/ low carbon steel bimetal, Materials Science & Engineering p260 – 266 (2018)

Yulong Cao et al, Research on the Bonding Interface of High Speed Steel/Ductile Cast Iron Composite Roll Manufactured by an Improved Electroslag Cladding Method, Metals www.mdpi.com, (2018),

Wiwik Purwadi, et. al., Gravity Sand Casting of Metallurgical Bonded Bimetallic Grinding Roll Made of White Cast Iron-Nodular Cast Iron, Int. Journal of Engineering Research and Application, Vol. 7, Issue 2, p.44-51 (2017)

Jan Szajnara, T. Wróbela, A. Dulskaa, Manufacturing Methods of Alloy Layers on Casting Surfaces, Journal of Casting & Materials Engineering vol 1 No. 1 p2-6, (2017)

H.T. Cao et al, Surface alloying of high-vanadium high-speed steel on ductile iron using plasma transferred arc technique: Microstructure and wear properties, Materials and Design 100 p223– 234 (2016)

T. Wróbel, J. Szajnar, Bimetallic Casting: Ferritic Stainless Steel – Grey Cast Iron, ARCHIVES OF METALLURGY AND MATERIALS, vol 60 issue 3 (2015)

Xingjian Gao et al, Effects of temperature and strain rate on microstructure and mechanical properties of high chromium cast iron/low carbon steel bimetal prepared by hot diffusion-compression bonding, Materials and Design, 63-p650 – 657 (2014).

M. Kazemi, A.R. Kiani-Rashid, A. Nourian, A. Babakhani, Investigation of microstructural and mechanical properties of austempered steel bar-reinforced ductile cast iron composite, Materials and Design 53 p1047–1051 (2014)

Tomasz Wro´bel, Characterization of Bimetallic Castings with an Austenitic Working Surface Layer and an Unalloyed Cast Steel Base, Journal of Materials Engineering and Performance, Volume 23(5) May (2014)

Rajender Kumar Tayal, Vikram Singh, Sudhir Kumar and Rohit Garg, COMPOUND CASTING - A LITERATURE REVIEW, Proceedings of the National Conference on Trends and Advances in Mechanical Engineering, YMCA University of Science & Technology, Faridabad, Haryana, Oct 19-20, (2012.)

Kirsten Nähle, Bremstrommel aus Verbundguss bietet Sicherheit in Nutzfahrzeugen support.vogel.de (ID: 32152560), 27.02. (2012)

XIAO Xiao-feng, YE Sheng-ping, YIN W ei-xin, XUE Qiong, HCWCI/Carbon Steel Birnetal Liner by Liquid-Liquid Compound Lost Foam Casting, JOURNAL OF IRON AND STEEL RESEARCH, INTERNATIONAL.19(10): 13-19 (2012)

Xiao Xiaofeng, Ye Shengping, Yin Weixin, Zhou Xiaoguang, and Xue Qiong, High Cr white cast iron/carbon steel bimetal liner by lost foam casting with liquid-liquid composite process, China Foundry, vol 9 no 2 p136 – 142, May (2012)

T. Wróbel, Bimetallic layered castings alloy steel – grey cast iron, Archives of Materials Science and Engineering, vol 48 Issue 2 p118 – 125 (2011)

Tomasz WRÓBEL, Ni AND Cr BASE LAYERS IN BIMETALLIC CASTINGS, 18 – 20 Mai Metal, Brno, Chech Republic, EU (2011)

Bowen Xiong, Changchun Cai, Baiping Lu, Effect of volume ratio of liquid to solid on the interfacial microstructure and mechanical properties of high chromium cast iron and medium carbon steel bimetal, Journal of Alloys and Compounds 509 p6700–6704 (2011)

T. Wróbel, M. Cholewa, S. Tenerowicz, Examples of material solutions in bimetallic layered castings, ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING, ISSN -1897-3310, vol 11 issue 3 p11 – 16 (2011)

Bowen Xiong, Changchun Cai, Hong Wan, Baiping Lu, Fabrication of high chromium cast iron and medium carbon steel bimetal by liquid–solid casting in electromagnetic induction field, Materials and Design 32 p2978–2982 (2011)

Guoling Xie, Hui Sheng, Jingtao Han, Jing Liu, Fabrication of high chromium cast iron/ low carbon steel material by cast and hot rolling process. Materials and Design 31 p3062-3066 (2010) M. Cholewa, T. Wróbel, S. Tenerowicz, Bimetallic layer castings, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, vol 43 issue 1 November (2010)

Mehmet Simsir, Levent Cenk Kumruoglu, Ali Özer, An investigation into stainless-steel/structural-alloy-steel bimetal produced by shell mould casting, Materials and Design 30 p264–270 (2009)

Mehmet Simsir, Levent Cenk Kumruoglu, Ali Özer, An investigation into stainless-steel/structural-alloy-steel bimetal produced by shell mould casting, Materials and Design 30 p264–270 (2009)

Robert D. Bitsche, Design and Computational Analysis of Compound Castings and other Multi-Material Structures, Dissertation Vienna University of Technology, Wien (2009)

Ahmet Avcı, Nevzat ˙Ilkaya, Mehmet Simsir, Ahmet Akdemir, Mechanical and microstructural properties of low-carbon steel-plate-reinforced gray cast iron, journal of materials processing technology 209 p1410–1416 (2009)

S. Ẑic, I. Dẑambas, M. Ikonić, Possibilities of implementing bimetallic hammer castings in crushing industries, METALURGIJA 48 p51-54 (2009)

E.N. Pan, P.C Yu, R.M. Chang, Production of Bi-Metal (High-Cr Cast Iron – Alloyed Steel) Hammers and Analyses of Microstructure and Properties, Paper 08-015(05) AFS Transactions (2008)

B. Kurt, N. Orhan, A. Hascalık, Effect of high heating and cooling rate on interface of diffusion bonded gray cast iron to medium carbon steel, Materials and Design 28 p2229–2233 (2007) J. KILARSKI, J. SUCHOŃ, ODLEWY WARSTWOWE STALIWO – ŻELIWO, Archives of Foundry, vol 6 no 22 (2006)

J. Gawronski, J. Szajnar, P. Wrobel, Study on theoretical bases of receiving composite alloy layers on surface of cast steel castings, Journal of Materials Processing Technology 157–158 p679–682 (2004)

Bo Andersson, Bertil Steen, Påsvetsning av material och plasmapåsvetsning, IVF-Resultat 74625 (1974)

Patent:

US 20120312495A1, Technology of production of bimetallic and multilayer casts by gravity or spun casting, , Dec 13 2012

Övrigt:

Metal-to-metal compound casting for innovative cast components, Fraunhofer Institute for Manufacturing technology and Advanced Materials IFAM, (broschyr)

Through our international collaboration programmes with academia, industry, and the public sector, we ensure the competitiveness of the Swedish business community on an international level and contribute to a sustainable society. Our 2,800 employees support and promote all manner of innovative processes, and our roughly 100 testbeds and demonstration facilities are instrumental in developing the future-proofing of products, technologies, and services. RISE Research Institutes of Sweden is fully owned by the Swedish state.

I internationell samverkan med akademi, näringsliv och offentlig sektor bidrar vi till ett

konkurrenskraftigt näringsliv och ett hållbart samhälle. RISE 2 800 medarbetare driver och stöder alla typer av innovationsprocesser. Vi erbjuder ett 100-tal test- och demonstrationsmiljöer för framtidssäkra produkter, tekniker och tjänster. RISE Research Institutes of Sweden ägs av svenska staten.

RISE Research Institutes of Sweden AB Box 857, 501 15 BORÅS

Telefon: 010-516 50 00

E-post: info@ri.se, Internet: www.ri.se

Gjutna komponenter RISE Rapport 2020:56 ISBN: