• No results found

Direkt släckning efter uppslag

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Direkt släckning efter uppslag"

Copied!
70
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Direkt sl ¨ackning efter uppslag

Direct quenching after shake-out

Examensarbete, 15 hp, Maskin- och materialteknik, VT/HT 2019

Daniel Ahlin Heikkinen Jacob Holmberg-Kasa

(2)

Sammanfattning

M ˚alet med denna unders ¨okning ¨ar att minska energif ¨orbrukningen vid framst ¨allning av gjutna detaljer i austenitiskt manganst ˚al. Detta g ¨ors genom att unders ¨oka om det ¨ar ma-terialm ¨assigt m ¨ojligt att g ¨ora f ¨or ¨andringar som f ¨orkortar framst ¨allningsprocessen av de gjutna detaljerna medan snarlika materialegenskaper bibeh ˚alls. Den processf ¨or ¨andring som unders ¨oks ¨ar att slopa uppl ¨osningsbehandlingen under framst ¨allningsprocessen ge-nom att ist ¨allet sl ¨acka den gjutna detaljen direkt efter uppslag fr ˚an gjutform. Konkret in-neb ¨ar detta att detaljen sl ˚as upp och sl ¨acks vid ett tidigare och tidsbest ¨amt skede. Det-ta tillv ¨agag ˚angss ¨att kallas inom meDet-tallindustrin f ¨or direkt sl ¨ackning och appliceras idag p ˚a andra legeringar och tillverkningsprocesser. F ¨or att unders ¨oka om det ¨ar material-tekniskt m ¨ojligt att genomf ¨ora denna f ¨or ¨andring i framst ¨allningsprocessen tas provkrop-par fram. Dessa provkropprovkrop-par ¨ar av en f ¨orbest ¨amd geometri och tas fram under kontrol-lerade f ¨oruts ¨attningar. Av totalt nio provkroppar sl ¨acks sex provkroppar direkt medan tre genomg ˚ar uppl ¨osningsbehandling d ¨ar de senast n ¨amnda anv ¨ands som referenser. Provkropparna unders ¨oks med metoder s ˚a som mikroskopi och h ˚ardhetsm ¨atning f ¨or att best ¨amma de relevanta materialegenskaperna i provkropparna. Unders ¨okningen visar antydningar p ˚a att det ¨ar m ¨ojligt att inf ¨ora direkt sl ¨ackning. Detta eftersom kornstorlek och karbidandelar inte skiljer sig n ¨amnv ¨art mellan direkt sl ¨ackta och v ¨armebehandlade prover som har unders ¨okts i denna studie. Men f ¨or ett mer definitivt fastst ¨allande beh ¨ovs fortsatta studier.

(3)

Abstract

The aim of this study is to reduce the energy consumed during manufacturing of parts in manganese steel. This is done by determining the possibility to make changes that shor-tens the production process of the castings while keeping the material properties similar. The process change that is studied is to see if it is possible to skip the heat treatment process by quenching directly after shake out of the casting. This means that the casted product needs to be shaken out and quenched at an earlier and more specific time. This process is known in the metal industry as direct quenching and is by the time of writing applied on different alloys and manufacturing processes. To determine the possibility to make the aforementioned changes to the casting process, taking the material properties into account, sample bodies are created. These sample bodies are of a predetermined geometry and are manufactured under controlled circumstances. From a total of nine sample bodies six are directly quenched and three are put through a heat treatment pro-cess, the later mentioned bodies are used as references. The sample bodies are studied with methods such as microscopy and hardness testing. In this study there are indica-tions that it is possible to introduce direct quencing in the production of details made of austenitic manganese steel. This is because the difference in grain size and fraction of carbides is small between the direct quenched and the heat treated samples in this study. Nevertheless, further studies needs to be made to make a more definitive conclusion.

(4)

F ¨

orord

Denna unders ¨okning har genomf ¨orts vid Malm ¨o universitets fakultet f ¨or teknik och samh ¨alle. Unders ¨okningen har genomf ¨orts i samarbete med Sandvik Mining and Rock Technology i Svedala, d ¨ar den st ¨orsta delen av arbetet har utf ¨orts. Vid genomf ¨orandet av denna un-ders ¨okning ¨ar personerna som deltagit med tid och engagemang m ˚anga. Dessa personer f ¨ortj ¨anar d ¨arf ¨or v ˚ar stora tacksamhet.

Till att b ¨orja med vill vi yttra stor tacksamhet till Dr Johan Ekeng ˚ard v ˚ar handledare p ˚a Sandvik, som gav oss m ¨ojligheten att arbeta med ett v ¨aldigt intressant projekt. Tack f ¨or alla tips, v ¨agledning och sp ¨annande information. Vi s ¨atter v ¨aldigt stort pris p ˚a att du lagt din tillit i oss och f ¨or att du haft stort f ¨ortroende f ¨or oss genom hela projektet. Din envist positiva inst ¨allning har f ¨or oss varit genomg ˚aende uppmuntrande och hj ¨alpt oss komma

¨over de sv ˚arigheter som uppst ˚att genom f ¨orloppet.

Vi vill ocks ˚a tacka Lindsay Merthe, v ˚ar handledare p ˚a Malm ¨o Universitet som med v ¨ardefulla tips och r ˚ad har st ¨ottat och v ¨aglett oss genom hela projektet.

Ett stort tack riktas ¨aven till de som arbetar i Sandviks reparationsverkstad. De har bist ˚att oss med id ´eer om hur vi kan l ¨osa tekniska problem och alltid funnits tillg ¨angliga n ¨ar diver-se fysiska konstruktioner eller praktiska uppgifter beh ¨ovt framst ¨allas eller utf ¨oras.

I laboratoriet p ˚a Sandvik ¨ar ni m ˚anga som har bist ˚att med v ¨ardefull information, hj ¨alpt till att ta fram data, kommit med m ˚anga id ´eer och visat hur diverse utrustning fungerat. Till alla er riktas ett stort tack. Ni har aldrig tvekat p ˚a att hj ¨alpa till och alltid visat stort engagemang.

Sist men inte minst vill vi tacka v ˚ara n ¨ara och k ¨ara som alltid har funnits n ¨ar till hands och som alltid har haft full f ¨orst ˚aelse i sv ˚ara perioder.

(5)

Inneh ˚all

1 Inledning 1

1.1 Tidigare unders ¨okningar . . . 2

2 Materialteknisk teori 4 2.1 Gjutning . . . 4 2.1.1 Gjutning i sandformar . . . 4 2.1.2 Stelningstid . . . 5 2.1.3 Gjutsimuleringar . . . 6 2.2 Fasomvandling i metallegeringar . . . 7 2.2.1 Fasdiagram . . . 7 2.2.2 Stelning . . . 8

2.2.3 Kristall- och mikrostruktur . . . 9

2.2.4 Mekaniska egenskaper . . . 9

2.3 Austenitiskt Manganst ˚al . . . 10

2.3.1 Uppl ¨osningsbehandling . . . 11

2.3.2 Sl ¨ackning . . . 12

2.3.3 Struktur- och fastransformationer fr ˚an austenit . . . 13

3 Unders ¨okningsmetodik 15 3.1 Materialsammans ¨attning . . . 15 3.2 H ˚ardhetsprovning . . . 15 3.3 Mikroskopi . . . 16 3.3.1 Ljusmikroskopi . . . 16 3.3.2 Svepelektronmikroskopi (SEM) . . . 16 3.3.3 Provberedning . . . 17 3.3.4 Kornstorlek . . . 17 3.3.5 Fasandelar - volymfraktion . . . 19 4 Experimentellt arbete 20 4.1 Framtagning av provkroppar - f ¨orberedelser . . . 20

4.1.1 Direkt sl ¨ackning . . . 21

4.1.2 V ¨armebehandling . . . 23

4.2 Ber ¨akningar - h ˚allpunkter . . . 23

4.3 Gjutning samt sl ¨ackning av provkroppar . . . 24

4.4 Unders ¨okning av prover . . . 29

4.4.1 Mikrostruktur . . . 30

4.4.2 Macroh ˚ardhetsprovning . . . 32

4.4.3 Svalningskurvor . . . 33

5 Resultat 34 5.1 Mikrostruktur . . . 34

(6)

5.2 Makroh ˚ardhetsprovning . . . 36 5.3 Svalningskurvor . . . 38

6 Diskussion 40

7 Slutsats 43

7.1 F ¨orslag till vidare studier . . . 44

Referenser 45

Bilaga A Fixtur - termoelement Bilaga B H ˚ardhetsm ¨atningar Bilaga C Areafraktion karbider Bilaga D Kornstorlek

(7)

1

Inledning

Austenitiskt manganst ˚al har bra egenskaper med h ¨ansyn till slitagebest ¨andighet. Det-ta beror fr ¨amst p ˚a materialets goda egenskap att deformationsh ¨arda vid anv ¨andning[1]. D ¨arf ¨or anv ¨ands austenitiskt manganst ˚al ofta som material i detaljer som ¨ar i milj ¨oer d ¨ar de blir utsatta f ¨or h ¨ogt slitage. S ˚adana milj ¨oer kan exempelvis vara som slitagedelar och slitskydd i stenkrossar och siktar.

De allra flesta delar d ¨ar austenitiskt manganst ˚al anv ¨ands framst ¨alls med hj ¨alp av en gjutprocess. Under gjutprocessen i de detaljer d ¨ar austenitiskt manganst ˚al anv ¨ands s ˚a sm ¨alts f ¨orst materialet och h ¨alls sedan i formar. Gjutgodset kyls sedan ner l ˚angsamt till rumstemperatur f ¨or att sedan uppl ¨osningsbehandlas vid f ¨orh ¨ojd temperatur och d ¨arefter sl ¨ackas. Denna uppl ¨osningsbehandlingsprocess g ¨ors f ¨or att materialet skall f ˚a de r ¨atta mekaniska egenskaperna [1]. Uppl ¨osningsbehandlingsprocessen som g ¨ors f ¨or austeni-tiskt manganst ˚al ¨ar en process som f ¨orbrukar mycket energi d ˚a de gjutna detaljer som be-handlas skall v ¨armas upp fr ˚an rumstemperatur till en temperatur p ˚a omkring 1100◦C, ¨aven

om temperaturen beror p ˚a vilken kemisk sammans ¨attning av manganst ˚al som anv ¨ands. Om det ¨ar m ¨ojligt att ta de gjutna detaljerna direkt fr ˚an gjutningen utan att de faller f ¨or mycket i temperatur f ¨or att sedan sl ¨acka materialet direkt i ett vattenbad utan n ˚agon uppl ¨osningsbehandlingsprocess skulle det spara energi, d ˚a processen ¨ar mycket ener-gikr ¨avande. Det skulle vara b ¨attre f ¨or milj ¨on samtidigt som det ocks ˚a skulle spara ekono-miska resurser.

Denna studie kommer att unders ¨oka om det finns m ¨ojlighet att spara energi och re-surser under tillverkningen av formgjutna detaljer i austenitiskt manganst ˚al. Detta ge-nom att unders ¨oka om det ¨ar m ¨ojligt att f ¨orkorta framst ¨allningsprocessen. Den eventuella f ¨orkortningen skall ske genom att sl ¨acka gjutna detaljer direkt efter gjutprocessen, ist ¨allet f ¨or att v ¨armebehandla efter gjutprocessen och sedan sl ¨acka efter v ¨armebehandlingen. I studien behandlas om det ¨ar m ¨ojligt att erh ˚alla samma eller liknande egenskaper i materialet om v ¨armebehandlingssteget under tillverkningsprocessen f ¨or ett austenitiskt manganst ˚al slopas och de gjutna detaljerna ist ¨allet sl ¨acks direkt efter gjutning. Om det-ta steg elimineras f ˚ar de ocks ˚a konsekvenser f ¨or hur tillverkningsprocessen g ˚ar till v ¨aga f ¨or de delar som tillverkas med denna metod. Denna nya tillverkningsprocess kommer denna studie inte att behandla. Varken logistikm ¨assig, tidsm ¨assigt eller ur n ˚agot annat produktionstekniskt avseende.

Sandvik Mining and Rock Technology ¨ar ett ledande f ¨oretag som tillverkar utrustning, verktyg, erbjuder service och skapar tekniska l ¨osningar inom gruvindustrin. I sina sten-krossar anv ¨ander Sandvik austenitiskt manganst ˚al och det ¨ar i samarbete med Sandvik i Svedala som denna studie genomf ¨ors.

(8)

1.1

Tidigare unders ¨

okningar

De unders ¨okningar och tidigare arbeten som behandlar processer innefattande direkt sl ¨ackning efter olika typer av temperaturh ¨ojande bearbetningsprocesser ¨ar i huvudsak begr ¨ansade till specifika legeringar. H ¨ar saknas helt tidigare unders ¨okning av den speci-fika typ av austenitiskt manganst ˚al som anv ¨ands i Sandviks produktion. Det finns endast ett begr ¨ansat antal studier som hanterar sl ¨ackning efter just gjutning. Ett exempel p ˚a en s ˚adan studie unders ¨oker gjutning och direkt sl ¨ackning av ett mangan-borst ˚al [2]. I den-na studie ¨ar slutsatsen att den huvudsakliga skillden-naden mellan att v ¨armebehandla mellan gjutningen och sl ¨ackningen och att inte v ¨armebehandla ¨ar att kornstorleken hos kornen i materialet ¨okar i materialet d ˚a detaljen sl ¨acks direkt efter gjutning, detta resulterar i en l ¨agre seghet i materialet. En annan studie unders ¨oker effekterna av direkt sl ¨ackning av ett varmvalsat st ˚al j ¨amf ¨ort med att v ¨armebehandla och sedan sl ¨acka materialet [3]. Slut-satsen av denna studie ¨ar att vid direkt sl ¨ackning st ¨arks egenskaperna vid drag medan segheten minskar. Studien visar ¨aven att en gr ¨ovre kornstruktur i materialet erh ˚alls vid direkt sl ¨ackning.

Unders ¨okningar som t ¨acker olika delar i v ¨armebehandlingsprocessen f ¨or austenitiskt manganst ˚al finns och anv ¨ands som st ¨od i denna unders ¨okning. I en studie av Almudena Rosas [4] unders ¨oks aspekter kring sl ¨ackning och tiden f ¨or uppl ¨osningsbehandlingen av den aktuella legeringen, d ˚a materialet efter gjutning l ˚atits svalna l ˚angsamt f ¨or att sedan uppl ¨osningsbehandlas och sl ¨ackas. Unders ¨okningens slutsats ¨ar att de aktuella provet in-te p ˚averkades av en ¨okning i volymen av kylmedium som anv ¨ands. Ett b ¨attre cirkulations-system f ¨or kylmediumet rekommenderas f ¨or b ¨attre resultat av sl ¨ackningen. Studien visar att tidsh ˚allningen, den tid som detaljer h ˚alls vid i en viss temperatur, f ¨or uppl ¨osningsbe-handlingen ¨ar bra i den befintliga processen, men det finns ¨and ˚a utrymme f ¨or f ¨orb ¨attring. Almudena Rosas studie f ¨oresl ˚ar ¨aven att legera materialet med aluminium och mer mo-lybden f ¨or att f ¨orb ¨attra mikrostrukturen.

I en annan studie skriven av Mats Demoling [5] unders ¨oktes p ˚averkan av h ˚alltiden, den tid som detaljer h ˚alls vid en viss temperatur, och temperaturen vid uppl ¨osningsbehandling. Denna unders ¨okning visar att det b ¨asta resultatet f ¨or uppl ¨osningsbehandlingen f ˚as vid en temperatur p ˚a 1125 ◦C och den l ¨angsta h ˚alltiden, som i unders ¨okningen begr ¨ansas till 30 minuter. I denna unders ¨okning tas ¨aven bilder av mikrostrukturen i en mantel gjord i produktionen p ˚a Sandvik i Svedala d ¨ar unders ¨okningen ¨ar utf ¨ord. Bilderna tas p ˚a prov-bitar fr ˚an mantelns yta och mantelns centrum. I figur 1 visas bilderna av mikrostruktu-ren i de produktionsproverna. En unders ¨okning skriven av Gonzalo Santamar´ıa [6] un-ders ¨oker olika parametrar kring uppl ¨osningsbehandlingen. Slutsatsen av unun-ders ¨okningen ¨ar att uppl ¨osningsbehandlingen ger ett tillfredsst ¨allande resultat som processen ser ut vid det aktuella tillf ¨allet.

Daniel Johansson [7] har gjort en studie som unders ¨oker ¨okad sl ¨ackningshastighet. Detta genom att sl ¨acka mantlarna i en saltl ¨osning ist ¨allet f ¨or kranvatten. Unders ¨okningen visar p ˚a att en ¨okad sl ¨ackningshastighet inte p ˚averkar kornstorleken men att karbiderna blir mindre och mer j ¨amnt f ¨ordelade.

(9)

Figur 1: Bilder p ˚a produktionsprover i austenitiskt manganst ˚al fr ˚an unders ¨okning gjord av Mats Demoling [5], a och b ¨ar fr ˚an ytan, c och d fr ˚an centrum.

(10)

2

Materialteknisk teori

Materialteknik handlar om materialvetenskaplig teori samt metodik. Materialteknik hand-lar ¨aven om materialtekniska processer som har betydelse inom industrin, exempelvis gjutning, maskinbearbetning och valsning. Inom omr ˚adet ¨ar forskning ofta riktad mot att ta fram material med specifika egenskaper. Utifr ˚an vilka sammanhang som ett material skall anv ¨andas ¨ar det ofta olika krav p ˚a mekaniska egenskaper. F ¨or att f ˚a fram ¨onskv ¨arda egenskaper studerar forskning inom materialteknik ofta mikrostrukturer p ˚a de unders ¨okta materialen. Detta eftersom mikrostruktren hos ett material h ¨anger ihop med de mekaniska egenskaper som materialet besitter [8, 9].

2.1

Gjutning

En gjutprocess startar med att ett material gjuts f ¨or att sedan h ¨allas ner i en form. Denna form m ˚aste inneh ˚alla ett h ˚alrum, med r ¨att utseende, som det sm ¨alta materialet kan fylla ut. Formen h ˚aller sedan sm ¨altan i ¨onskad skepnad under nedkylning tills materialet har stelnat. P ˚a detta s ¨att kan v ¨aldigt m ˚anga olika figurer och former skapas i olika material. Det enda kravet p ˚a materialval f ¨or anv ¨andning i en gjutprocess ¨ar att det skall kunna sm ¨altas [10]. Det finns m ˚anga olika metoder f ¨or att gjuta i olika material och former kan variera v ¨aldigt mycket. N ˚agra av dessa metoder ¨ar sandformsgjutning, pressgjutning och vaxursm ¨altningsgjuting [11].

Det ¨ar viktigt vid gjutningsprocesser av framf ¨orallt metaller att f ¨ors ¨oka kontrollera sm ¨alt-an, avkylning och storleksf ¨or ¨andring n ¨ar det gjutna materialet stelnar. Detta eftersom det annars finns risk f ¨or porositet, sprickbildning och att legerings ¨amnena sprider sig oj ¨amnt [11].

Vid gjutning av metaller ¨ar det viktigt hur sm ¨altan stelnar. Detta eftersom det ¨ar av-g ¨orande f ¨or hur materialets kornstruktur ser ut. Kornstrukturen kommer sedan ha en stor betydelse f ¨or materialets egenskaper [10]. Stelningen av sm ¨altan sker i tv ˚a steg. Korn-bildning och korntillv ¨axt. Det g ˚ar att styra hur kornstrukturen i ett material ser ut. Det g ˚ar exempelvis att tills ¨atta partiklar i en sm ¨alta om en finare kornstruktur vill erh ˚allas. Detta beror fr ¨amst p ˚a att kornbildning l ¨attast sker vid omkringliggande fasta ytor, exempelvis gjutformen. Denna fasta yta ¨okar om fasta partiklar i sm ¨altan finns och f ¨oruts ¨attningarna f ¨or att korn skall kunna bildas blir betydligt b ¨attre [10].

2.1.1 Gjutning i sandformar

Sandformsgjutning ¨ar troligtvis den ¨aldsta gjutprocessmetoden. Den ¨ar bepr ¨ovad och har anv ¨ants i flera tusen ˚ar. Trots att metoden ¨ar gammal s ˚a anv ¨ands den forfarande flitigt i industrier eftersom i stort s ¨att alla metaller kan gjutas med denna metod. Det g ˚ar att g ¨ora komplicerade former med metoden och metoden ¨ar inte s ˚a beroende av storleken. V ¨aldigt stora detaljer kan gjutas. Kostnaden f ¨or att ta fram formar ¨ar l ˚ag, vilket ger m ¨ojlighet till

(11)

att gjuta sm ˚a serier utan stora kostnader. Nackdelar med metoden ¨ar att ytj ¨amnheten och toleranser ofta ¨ar relativt d ˚aliga j ¨amf ¨ort med andra gjutningsmetoder [11].

Sanden i sandformar kan h ˚allas ihop med hj ¨alp av olika metoder. Den vanligaste me-toden ¨ar att anv ¨anda ett bindemedel som binder ihop sanden. Detta g ¨or att materialet som h ¨alls i formen har direktkontakt med sanden vilket har betydelse f ¨or vilken ytfinhet som kan uppn ˚as. N ¨ar bindemedel anv ¨ands l ¨aggs en modell av det som skall gjutas i sand-formen. Modellen formar d ˚a den h ˚alighet i formen som senare fylls med sm ¨alta. Denna modell m ˚aste sedan avl ¨agsnas igen f ¨or att det skall vara m ¨ojligt att gjuta.

En annan metod att h ˚alla ihop sanden i formen ¨ar att anv ¨anda vakuum. Vid anv ¨andning av denna metod l ¨aggs f ¨orst en plastfilm p ˚a modellen som skall utg ¨ora h ˚aligheten i formen. Sedan placeras en speciell flaska med sand ¨over modellen med plastfilmen. Ett under-tryck f ˚ar d ¨arefter sanden att h ˚alla ihop n ¨ar modellen, nu utan plasten som l ¨amnas kvar, tas bort. Detta undertryck m ˚aste h ˚allas tills sm ¨altan som h ¨alls i formen har stelnat. F ¨ordelar med vakuummetoden i j ¨amf ¨orelse med bindemedel ¨ar att det g ˚ar att f ˚a b ¨attre ytj ¨amnhet och noggrannare toleranser. Positivt f ¨or vakuummetoden ¨ar ocks ˚a att det ¨ar l ˚agt slitage p ˚a modeller samt att det g ˚ar att ˚ateranv ¨anda sanden som anv ¨ands i processen. En annan f ¨ordel ¨ar att det inte heller beh ¨ovs n ˚agon h ¨ardningstid f ¨or n ˚agot bindemedel [12].

2.1.2 Stelningstid

M ˚anga unders ¨okningar har gjorts f ¨or att kunna l ¨agga grunden f ¨or att r ¨akna ut hur stel-ningstider ser ut f ¨or gjutna detaljer. En forskare som har studerat detta ¨ar den tjeckiske ingenj ¨oren Nicolas Chvorinov. Chvorinov har gjort m ˚anga experiment och studier. Med hj ¨alp av dessa studier har ett uttryck tagits fram f ¨or hur stelningstider i sandformar r ¨aknas ut. Detta uttryck kallas Chvorinov’s regel och ser ut enligt f ¨oljande [13].

tf = √ π 2 · ρm(−∆H) Ti− T0 · q 1 kfρfcfp !2 · V A n (1) Chvorinov’s regel kan skrivas enklare som

tf = C ·

 V A

n

, (2)

d ¨ar C kallas f ¨or gjutmodul. Denna gjutmodul varierar beroende p ˚a materialet som gjuts samt materialet som gjutformen ¨ar gjort av. Den version av Chvorinov’s regel som pre-senteras i ekv. 1 ¨ar den gamla metoden. Efter vidare forskning finns ¨aven ett nytt uttryck [13], tf = √ π 2 · ρm(−∆H + cmp ∆T ) Ti− T0 ·q 1 kfρfcfp !2 · V A n , (3)

f ¨or en ny metod, som ges av ekv. (3). Denna nya metod tar ¨aven h ¨ansyn till det gjut-na materialets v ¨armekapacitivitet, cm

(12)

och sm ¨alttemperatur, ∆T . H ¨alltemperaturen ¨ar den temperatur som sm ¨altan har n ¨ar den h ¨alls upp i formarna. Dessa parametrar tar den gamla metoden inte h ¨ansyn till vilket g ¨or den nya metoden mer exakt. Alla variabler fr ˚an uttrycken presenteras i tabell 1. Vid anv ¨andande av Chvorinov’s regel g ¨ors f ¨oljande antaganden [13]:

1. V ¨armeledningsf ¨orm ˚agan i metallen ¨ar mycket st ¨orre i j ¨amf ¨orelse med sandformens v ¨armeledningsf ¨orm ˚aga.

2. Formv ¨aggens temperatur blir vid gjutning omedelbart samma temperatur som sm ¨altans Under stelningsf ¨orloppet beh ˚aller formv ¨aggen denna temperatur.

3. L ˚angt ifr ˚an gr ¨ansytan mellan form och sm ¨alta ¨ar formens temperatur samma som omgivningens temperatur.

4. Formytans f ¨orm ˚aga att absorbera v ¨arme ¨ar konstant p ˚a varje ytenhet. Detta obero-ende av geometri och ytans placering p ˚a gjutgodsets yta.

Dessa antaganden g ¨ors f ¨or att det inte skall vara n ¨odv ¨andigt att st ¨alla upp n ˚agon ekvation f ¨or temperaturen i materialet. Ist ¨allet anv ¨ands v ¨armeledningsf ¨orm ˚agan f ¨or att r ¨akna ut den totala stelningstiden, vilket ¨ar praktiskt enklare [13].

Tabell 1: Variabler anv ¨anda i Chvorinov’s regel.

Variabelns namn: Variableln st ˚ar f ¨or:

tf Total stelningstid

ρm Metallens densitet

−∆H Sm ¨altans stelningsv ¨arme Ti Gr ¨ansytans initiala temperatur

T0 Formens initiala temperatur

Kf Sandens v ¨armeledningsf ¨orm ˚aga

ρf Sandens densitet

cfp Sandens v ¨armekapacitivitet cmp Metallens v ¨armekapacitivitet

∆T Skillnad, h ¨alltemperatur och sm ¨alttemperatur V Volymen av den gjutna kroppen

A Mantelarean av den gjutna kroppen n Konstant som ligger mellan 1,5 och 2

2.1.3 Gjutsimuleringar

F ¨or att effektivisera och erh ˚alla b ¨attre resultat vid gjutprocesser finns det anpassade da-torbaserade verktyg. Gjutsimuleringar anv ¨ands ofta som underlag f ¨or beslutsfattning d ˚a det kan ge en god ¨overblick innan ekonomiska satsningar och tester ¨overhuvudtaget ¨ar

(13)

p ˚ab ¨orjade. Det finns m ˚anga olika mjukvaror till detta och det g ˚ar att unders ¨oka flera oli-ka steg och delar av en gjutprocess samt m ˚anga olioli-ka material. Ett exempel p ˚a en s ˚adan mjukvara ¨ar MAGMASOFT [14]. Det g ˚ar i MAGMASOFT och andra liknande verktyg bland annat att unders ¨oka avsvalninghastighet, stelningstider, krympning, inbyggda sp ¨anningar, deformationer och defekter som beror p ˚a gjutprocessen. Det g ˚ar ¨aven att f ˚a en id ´e om hur mikrostrukturen samt mekaniska egenskaper kan se ut. Dessa verktyg kan spara resur-ser d ˚a de ofta ger en bra ¨overblick p ˚a hur ett resultat f ¨or en gjutprocess kan se ut. Dessa simuleringar ger s ˚aledes ett b ¨attre utg ˚angsl ¨age till tester och ofta beh ¨ovs inte lika m ˚anga tester genomf ¨oras tack vare genomf ¨orda simuleringar [14, 15].

2.2

Fasomvandling i metallegeringar

N ¨ar begreppet fas definieras beskrivs det som en homogen del av ett system som har samma kemiska och fysikaliska egenskaper [16]. Alla rena ¨amnen anses vara en fas och

¨aven alla l ¨osningar oavsett aggregationstillst ˚and.

Vilken fas systemet antar kan ¨andras genom att variera temperaturen och trycket i systemet. Det g ˚ar ¨aven att ¨andra vilka faser som finns i ett system genom att tills ¨atta ett annat ¨amne till systemet. Inom metallurgi kallas ett s ˚adant system best ˚aende av minst en metall f ¨or en legering [16]. D ˚a ett system eller en del av ett system g ˚ar fr ˚an en fas till en annan s ˚a genomg ˚ar systemet en fasomvandling. Att en del av ett system kan ¨overg ˚a till en annan fas inneb ¨ar att ett system kan best ˚a av materia i flera faser. En fas i en metallegering best ˚ar av materia med homogen kristallstruktur, samma bindningstyp eller aggregationstillst ˚and.

2.2.1 Fasdiagram

Ett fasdiagram beskriver de olika tillst ˚and ett system kan anta d ˚a systemet ¨ar i j ¨amvikt vid olika tryck, temperaturer och materialkomposition [17]. Med j ¨amvikt syftas termodynamisk stabil j ¨amvikt vilket inneb ¨ar att systemet antar ett tillst ˚and som har l ¨agsta m ¨ojliga Gibbs fria energi. Gibbs fria energi ¨ar en funktion av entalpin, entropin och temperaturen i systemet. En vanlig typ av fasdiagram ¨ar un ¨ara fasdiagram vilket beskriver faserna i ett system best ˚aende av ett ¨amne. I diagrammet varieras tryck och temperatur f ¨or systemet. Ett di-agram av denna typ kan vara anv ¨andbart d ˚a kokpunkten f ¨or vatten vid ett specifikt tryck beh ¨over kontrolleras. En annan vanlig typ av fasdiagram ¨ar bin ¨ara fasdiagram vilka beskri-ver faserna i ett system best ˚aende av flera ¨amnen. I diagrammet varieras temperaturen och kompositionen mellan tv ˚a delar av sammans ¨attningen. Den h ¨ar typen av diagram passar v ¨al d ˚a intresset ¨ar att studera metallegerinagar best ˚aende av tv ˚a legerings ¨amnen. Men ¨aven metallegeringar best ˚aende av fler ¨an tv ˚a legerings ¨amnen, d ˚a behovet endast ¨ar att se f ¨or ¨andringen i faser d ˚a inneh ˚allet av ett av legerings ¨amnena ¨andras. I figur 2 visas ett exempel p ˚a ett bin ¨art fasdiagram. I bin ¨ara fasdiagram ¨ar det enkelt att avg ¨ora vil-ken eller vilka faser som ¨ar n ¨arvarande i systemet. Det som beh ¨over g ¨oras ¨ar att avg ¨ora

(14)

vilken temperatur systemet befinner sig vid samt kompositionen mellan komponenterna i systemet.

Figur 2: Exempel p ˚a hur ett bin ¨art fasdiagram kan se ut f ¨or en legering, fasdiagrammet ¨ar bin ¨art d ˚a bara kompositionen av en legerings komponent varieras.

2.2.2 Stelning

N ¨ar en v ¨atska blir kyld under dess j ¨amviktssm ¨altpunkt kommer Gibbs fria enegi i systemet att minska. H ¨ar ¨ar det l ¨att att f ¨orv ¨anta att materian spontant stelnar, men s ˚a ¨ar inte alltid fal-let [17]. I vissa fall kan systemet underkylas l ˚angt under sm ¨alttemperaturen utan att mate-rialet stelnar. Detta beror p ˚a att det kr ¨avs en heterogen k ¨arnbildning och inte en homogen k ¨arnbildning f ¨or att en stelning ska kunna ske n ¨ara sm ¨alttemperaturen. F ¨or att en hetero-gen k ¨arnbildning skall kunna ske kr ¨avs att k ¨arnbildning kan ske vid systemgr ¨anser, korn-gr ¨anser, ol ¨osliga orenheter eller dislokationer. En homogen k ¨arnbildning sker d ¨aremot d ˚a den totala fria energin i systemet n ˚ar en kritisk gr ¨ans.

D ˚a stelning p ˚ab ¨orjas kommer atomerna i systemet att ordna sig, beroende p ˚a vilken typ av materia systemet best ˚ar av f ˚as olika typer av strukturer. I metaller och metalle-geringar ordnar sig atomerna i olika kristallina strukturer, med detta menas att atomerna ordnar sig i repeterbara enheter genom strukturen. N ¨ar all materia i systemet stelnat an-ses systemet best ˚a av fasta kristallina faser samt m ¨ojliga orenheter.

(15)

2.2.3 Kristall- och mikrostruktur

En kristallstruktur ¨ar uppbyggd av enhetsceller. Vanliga typer av enhetsceller i metaller och metallegeringar ¨ar FCC (Face Centered Cubic) och BCC (Body Centered Cubic). Dessa ¨ar avbildade i figur 3. Delar av materian d ¨ar enhetscellerna har samma orientering kallas f ¨or korn.

(a) Body Centered Cubic. (b) Face Centered Cubic.

Figur 3: Exempel p ˚a vanliga kristallstrukturer[16]

I metallegeringar bildas ¨aven karbider. Dessa ¨ar kemiska f ¨oreningar best ˚aende av kol och n ˚agon metall. F ¨oreningarna ordnar sig likt de enskilda atomerna i en kristallstruktur [16]. Att de olika faserna har olika kristallstruktur g ¨or det m ¨ojligt att urskilja dem p ˚a mikro-niv ˚a, det g ˚ar ¨aven att urskilja enskilda korn av samma fas p ˚a mikromikro-niv ˚a. Ett materials mikrostruktur ¨ar ett intressant omr ˚ade att unders ¨oka. Detta d ˚a mikrostrukturen visar vilka olika faser som utg ¨or det aktuella materialet samt geometrin f ¨or kornen av var enskild fas.

¨

Aven m ¨ojliga bulkdefekter syns p ˚a mikroniv ˚a.

2.2.4 Mekaniska egenskaper

Ett materials mekaniska egenskaper ¨ar direkt knutet till dess mikrostruktur. Detta beror i huvudsak p ˚a att olika faser har olika mekaniska egenskaper och interaktionen mellan oli-ka faser. ¨Aven geometrin f ¨or kornen p ˚averkar de mekaniska egenskaperna f ¨or strukturen i sin helhet [18, 4]. H ¨ar kan till exempel kornstorleken ha en direkt inverkan p ˚a materia-lets str ¨ackgr ¨ans. Att kornstorleken p ˚averkar materialegenskaperna beror p ˚a att gr ¨anserna mellan korn med samma kristallstruktur f ¨orsv ˚arar dislokationsr ¨orelser. ¨Aven korn av skild fas f ¨orsv ˚arar dislokationsglidning. Karbider som har starkare bindningar mellan atomerna

(16)

2.3

Austenitiskt Manganst ˚al

St ˚allegeringar med h ¨og halt mangan och h ¨og halt kol kallas f ¨or manganst ˚al eller Hadfi-eldst ˚al uppkallad efter sin uppfinnare. HadfiHadfi-eldst ˚al best ˚ar av omkring 1,1-1,4% kol samt 11-14% mangan. Detta st ˚al anv ¨ands i milj ¨oer d ¨ar det ¨ar viktigt med god n ¨otningsbest ¨andighet och slagt ˚alighet. St ˚allegeringen ¨ar duktil, seg och ger ¨aven h ¨og h ˚ardhet vid deformation, tack vare deformationsh ¨ardning. D ¨arf ¨or anv ¨ands manganst ˚al ofta i detaljer inom gruvin-dustrin, oljeborrning och j ¨arnv ¨agsindustrin. V ¨art att n ¨amna ¨ar att den austenitiska fasen som f ¨orekommer austenistikst manganst ˚al ¨ar metastabil [19]. H ˚ardheten kan ¨oka till om-kring det dubbla ursprungliga v ¨ardet vid ytan n ¨ar detaljen tillverkad i materialet anv ¨ands, deformationsh ¨ardas. H ˚ardheten avtar djupare in i materialet [20].

De mekaniska egenskaper som erh ˚alls i ett austenitiskt manganst ˚al beror p ˚a hur mate-rialet ¨ar kemiskt sammansatt samt hur matemate-rialet behandlas under framst ¨allningsprocessen. I tabell 2 visas den ungef ¨arliga sammans ¨attning f ¨or ett austenitiskt manganst ˚al [6].

Tabell 2: Exempel p ˚a kemisk sammans ¨attning f ¨or ett austenitiskt manganst ˚al.

% Fe % C % Si % Mn % P max % Cr % Ni max % Mo max 84,5-81,3 1,1-1,23 0,4-0,8 11,5-13,5 0,065 1,3-2,0 0,60 0,50

F ¨or att f ˚a fram austenitisk fas v ¨armebehandlas ofta materialet vid tillverkning. Detta sker oftast med uppl ¨osningsbehandling samt sl ¨ackning. Detta ger austenitiskt manganst ˚al dess goda egenskaper, det har ¨aven gett upphov till namnet. Utan efterbehandlingar skul-le materiaskul-let vara h ˚ardare och mer spr ¨ott. Detta p ˚a grund av en mycket h ¨ogre karbidbild-ning och att en mycket st ¨orre del perlit erh ˚alls, d ˚a perlit och karbider bildas vid l ˚angsam avsvalning. Annledningen till att fler karbider bildas vid l ˚angsam avsvalning ¨ar att kolet f ˚ar mer tid att omf ¨ordela sig och s ˚aledes bilda karbider. Bildningen av olika faser f ¨or olika avsvalningshastigheter ˚ask ˚adligg ¨ors i figur 4 [6].

(17)

Figur 4: TTT-diagram f ¨or austenitiskt manganst ˚al [5]. ¨

Aven om austenitiskt manganst ˚al har m ˚anga positiva egenskaper som ¨ar bra i milj ¨oer d ¨ar materialet uts ¨atts f ¨or h ¨ogt slitage s ˚a har materialet ¨aven en del negativa egenskaper. En av dessa negativa egenskaper ¨ar att materialet ¨ar sv ˚art att bearbeta maskinellt. Detta p ˚a grund av att materialet deformationsh ¨ardar under och framf ¨or det bearbetande verk-tyget. Detta kan g ¨ora det sv ˚art att uppn ˚a h ¨oga toleranser. En annan egenskap som kan vara b ˚ade positiv och negativ ¨ar att austenitiskt manganst ˚al inte ¨ar ferromagnetiskt utan paramagentiskt. Detta p ˚a grund av de austenitiska strukturen i materialet [6].

2.3.1 Uppl ¨osningsbehandling

Efter l ˚angsam avsvalning fr ˚an en gjutningsprocess s ˚a kommer materialet vid rumstem-peratur till stora delar att best ˚a av perlit, karbider men ¨aven austenit. Detta ˚ask ˚adligg ¨ors i fasdiagrammet i figur 4. Perliten och karbiderna g ¨or att materialet ¨ar spr ¨ott men ocks ˚a h ˚art. Spr ¨oda material har en l ˚ag seghet, vilket ¨ar en viktig egenskap f ¨or material som anv ¨ands i sammanhang d ¨ar det ¨ar viktigt med n ¨otningsbest ¨andighet [16]. F ¨or att g ¨ora materialet mindre spr ¨ott hettas materialet upp till den austenitiska gr ¨ansen. Materialet h ˚alls sedan vid denna temperatur f ¨or att sedan sl ¨ackas. Denna process genomf ¨ors f ¨or att l ¨osa upp karbiderna samt den perlitiska fasen och ist ¨allet erh ˚alla en renare austenitisk fas som inneh ˚aller f ˚a karbider. Det ¨ar ¨onskv ¨art att ha en liten del karbider eftersom f ¨or myc-ket karbider g ¨or materialet spr ¨ott. Men en liten del karbider ¨ar ¨onskv ¨art f ¨or att motverka korntillv ¨axt.

Uppl ¨osningen av karbider och perlit sker inte omedelbart vid upphettning ovanf ¨or den austenitiska gr ¨ansen, utan det kr ¨avs tid f ¨or att l ¨osa perliten och karbiderna helt. F ¨or att vara helt s ¨aker p ˚a att karbiderna och perliten l ¨oses upp och f ¨or att f ˚a en snabbare process s ˚a v ¨arms materialet d ¨arf ¨or upp till en temperatur som ligger en bit ¨over den austenitiska

(18)

gr ¨ansen. Denna temperatur beror p ˚a sammans ¨attningen i materialet och ¨ar fr ¨amst bero-ende p ˚a kolhalten vilket kan ses i figur 5. Hur l ˚ang tid som materialet beh ¨over behandlas beror p ˚a tjockleken hos den detalj som materialet utg ¨or. Det ¨ar sv ˚art att helt best ¨amma denna tid men en bra tumregel f ¨or ett material med 13% mangan och ca 1,2% kol ¨ar att materialet skall h ˚allas i 1010◦-1090◦C i ca. 1-2 timmar f ¨or varje 25 mm av tjockleken p ˚a detaljens gods. Hur fort uppl ¨osningen g ˚ar beror ¨aven p ˚a den kemiska sammans ¨attningen i materialet d ˚a den styr ¨over vilka karbider som bildas [21].

Figur 5: Fasdiagram f ¨or austenitiskt manganst ˚al. H ¨ar betecknas austenitisk fas γ och ferritisk fas α [5].

2.3.2 Sl ¨ackning

Sl ¨ackning av austenitiskt manganst ˚al inneb ¨ar att materialet kyls ner snabbt d ˚a materialet ¨ar i stabil j ¨amvikt i austenitisk fas. Detta g ¨ors f ¨or att materialet ¨ar relativt sk ¨ort efter gjut-ningsprocessen p ˚a grund av karbidutf ¨allningar samt perlitbildning. Faktorer som p ˚averkar sl ¨ackningsprocessen ¨ar v ¨armeledningsf ¨orm ˚agan till ytan i materialet, konvektionen vid yt-skiktet samt v ¨arme-absorberingsf ¨orm ˚agan hos sl ¨ackningsfluiden [22, 4]. Sl ¨ackning ¨ar en effektiv metod att f ¨orhindra karbidutf ¨allning och bildning av perlit. Detta d ˚a det tillst ˚and d ¨ar kolatomerna kan diffundera snabbt g ˚as igenom, vilket kr ¨avs f ¨or b ˚ade karbid- och perlit-bildning [16]. F ¨or att avg ¨ora om materialet kyls ner tillr ¨ackligt snabbt, s ˚a att diffusionen skall minska, anv ¨ands TTT-diagram, se figur 4. Kompositionen av materialet har bety-delse f ¨or TTT-diagrammets utseende, samtliga legerings ¨amnen f ¨orutom kobolt f ¨orskjuter kurvan till h ¨oger l ¨angs tidsaxeln i diagrammet. Medeltemperaturf ¨or ¨andringen fr ˚an t1 till t2

i gjutgodset som sl ¨acks i ett vattenbad kan ber ¨aknas med TC2 = TC1−

mwCw

mcCc

(19)

d ¨ar TC1 ¨ar temperaturen vid t1 i gjutgodset, m och C betecknar massan och specifika

v ¨armekapaciteten f ¨or gjutgodset respektive vattenbadet. Sista parentesen i uttrycket ¨ar temperaturf ¨or ¨andringen fr ˚an TW 1 till TW 2 i vattenbadet [23]. Generellt delas sl ¨ackning in i

olika undermetoder, h ¨ar ¨ar direkt sl ¨ackning den vanligaste metoden. Direkt sl ¨ackning in-neb ¨ar att arbetstycket sl ¨acks direkt efter framst ¨allningsprocessen. Denna metod f ¨orvr ¨anger geometrin p ˚a arbetsstycket mindre ¨an den mer indirekta metoden att l ˚ata arbetsstyckt l ˚angsamt svalna efter framst ¨allningen f ¨or att sedan uppl ¨osningsbehandla och d ¨arefter sl ¨acka delen. Andra undermetoder som finns ¨ar tidsbest ¨amd sl ¨ackning, selektiv sl ¨ackning, spraysl ¨ackning samt dimsl ¨ackning [22].

2.3.3 Struktur- och fastransformationer fr ˚an austenit

Allt austenitiskt manganst ˚al som gjuts kommer att befinna sig i det austenitiska omr ˚adet minst en g ˚ang under sin livscykel. Detta eftersom materialet minst beh ¨over komma upp i sm ¨alttemperatur f ¨or att det skall vara m ¨ojligt att gjuta. Den austenitiska fasen ¨ar ocks ˚a den fas som vill erh ˚allas vid tillverkning av austenistiskt manganst ˚al. Det ¨ar den FCC-strukturerade austenitiska fasen som g ¨or att det austenistiska manganst ˚alet f ˚ar sina f ¨ordel-aktiga egenskaper. Det ¨ar inte m ¨ojligt att erh ˚alla helt ren austenitisk fas utan det kommer alltid att bildas en viss del andra faser. De mest relevanta andra faser och hur de uppkom-mer beskrivs nedan.

Karbider

Karbider bildas d ˚a l ¨osligheten av kol sjunker vid en fallande temperatur. Detta leder till att materialet kommer vara m ¨attat p ˚a kol. Kolet kommer ist ¨allet att finnas i materialet i form av utf ¨allningar. Dessa utf ¨allningar ¨ar kol som tillsammans med n ˚agot annat lege-rings ¨amne bildar karbider. Med bildandet av karbider kommer s ˚aledes kolhalten i aus-tenitfasen att sjunka. Exakt vilka karbider som kommer att bildas beror p ˚a den kemiska sammans ¨attningen i materialet d ˚a det finns flera olika legerings ¨amnen i Hadfieldst ˚al som kan binda kol till sig och bilda karbider [24].

De karbider som ¨ar intergranul ¨ara och som g ¨or materialet spr ¨ott bildas vid l ˚angsam nedkylning eller v ¨armebehandling vid omkring 400 − 800◦C. Dessa karbider kan sedan

l ¨osas upp vid v ¨armebehandling i det austenitiska omr ˚adet, vanligen sker detta omkring 1000◦C. Den allra snabbaste karbidtillv ¨axten sker vid nosen i karbidbildningen i figur 4, om-kring 600−650◦C. Det ¨ar prim ¨art tv ˚a typer av karbider som bildas. Dessa ¨ar tunna karbider

och tjocka karbider. De tunna karbiderna bildas snabbt och ligger i korngr ¨anserna. Dessa tunna karbider har ingen st ¨orre inverkan p ˚a spr ¨odheten hos materialet. D ¨aremot de tjocka karbiderna har en betydligt st ¨orre inverkan och g ¨or materialet spr ¨odare. De tjocka karbi-dernas k ¨arnor bildas av de tunna karbiderna och ligger d ¨arf ¨or ocks ˚a vid korngr ¨anserna [24].

(20)

Bildning av perlit

Vid l ˚angsam avsvalning av ett Hadfield st ˚al, som befinner sig ovanf ¨or den austenitiska gr ¨ansen, bildas perlit. Hela materialet kommer inte att best ˚a av perlit utan endast en be-gr ¨ansad del. Perliten kommer fr ¨amst att samlas i kornbe-gr ¨anser samt vid eventuella defekter. Perlit ¨ar en lamel ¨ar struktur som best ˚ar av den BCC-strukturerade fasen ferrit (α-fasen i figur 6) och karbiden cementit (F e3C). Inom varje perlitiskt korn ¨ar lagren i stort sett

orien-terade ˚at samma h ˚all. Kornen ¨ar d ¨aremot inte orienorien-terade p ˚a ett best ¨amt s ¨att sinsemellan [16].

Tillv ¨axten av perlit fr ˚an austenit involverar tv ˚a tydliga processer. Den ena ¨ar en redis-tribuering av kol, eftersom kolet koncentrerar sig i karbider och d ¨arf ¨or undviker ferrit. Den andra ¨ar kristallografins f ¨or ¨andring, d ˚a strukturen av b ˚ade ferrit och cementit skiljer sig fr ˚an strukturen i austenit. Det ¨ar diffusionen av kolatomer som styr tillv ¨axten av perlit. Den kristallografiska f ¨or ¨andringen sker i sin tur i den takt som omf ¨ordelningen av kolet till ˚ater [25].

N ¨ar cementitens k ¨arna bildas vid en korngr ¨ans minskar samtidigt kolhalten i den om-kringliggande austeniten. Detta underl ¨attar ferritbildning utmed cementiten. D ˚a ferrit bil-das transporteras kol allt l ¨angre ut i den austenitiska fasen. Detta g ¨or att cementiten forts ¨atter att v ¨axa, vilket f ˚ar till f ¨oljd att ferrittillv ¨axten ocks ˚a forts ¨atter i sidled. Efter hand som processen fortg ˚ar kommer en cementitplatta med en annan orientering att formas. Denna kommer att agera som en ny k ¨arna i en ny riktning. Hela processen illustreras i fem steg (a)-(e) i figur 6.

(21)

3

Unders ¨

okningsmetodik

F ¨or att unders ¨oka om r ¨att materialegenskaper erh ˚alls kan olika experiment och tester genomf ¨oras. Fr ¨amst g ˚ar dessa tester ut p ˚a att j ¨amf ¨ora olika materials mekaniska egen-skaper mikrostrukturer samt kemiska sammans ¨attning.

3.1

Materialsammans ¨attning

Materialsammans ¨attning eller kemisk sammans ¨attning anger vilka grund ¨amnen som ing ˚ar i ett material samt dess proportioner. Materialets sammans ¨attning kontrolleras f ¨or att s ¨akerst ¨alla att aktuella legeringar ligger inom de specifikationer som finns angivna. F ¨or att kontrollera sammans ¨attningar kan spektroskopi anv ¨andas. Detta ¨ar en teknik som har sin start redan 1740. Newton observerade d ˚a att str ˚alningen fr ˚an vitt ljus delar upp sig i olika f ¨arger d ˚a det passerar genom ett prisma. Sedan dess har tekniken utvecklats av personer s ˚a som Rittenhouse, Wollastone och ˚Angstr ¨om. M ˚anga andra prominenta fors-kare och vetenskapsm ¨an som inte n ¨amns h ¨ar har haft stor betydelse inom omr ˚adet [26]. Spektroskopisk analys bygger p ˚a att olika grund ¨amnen absorberar ljus vid en specifik v ˚agl ¨angd eller ger ifr ˚an sig ljus vid en specifik v ˚agl ¨angd d ˚a atomerna exciteras. Dessa tv ˚a fall delar ¨aven in omr ˚adet i sina huvudkategorier absorption- och emissionsspektroskopi. En variant av spektroskop ¨ar den s ˚a kallade gnistemissionsspektrometern. Denna typen av emissionsspektrometer genererar en gnista f ¨or att excitera atomerna i de material som unders ¨oks. Detta kr ¨aver att materialet ¨ar elektriskt ledande. Ljuset som emitteras fr ˚an de exciterade atomerna analyseras f ¨or att fastst ¨alla materialtes sammans ¨attning och dess proportioner.

3.2

H ˚ardhetsprovning

Syftet med att g ¨ora ett h ˚ardhetssprov ¨ar f ¨or att unders ¨oka ett materials resistans mot deformation. Detta ¨ar intressant eftersom materialets h ˚ardhet relaterar till dess n ¨otnings-best ¨andighet. Det finns tre huvudmetoder f ¨or att testa detta. Dessa metoder ¨ar [27]:

• Brinell-test, • Vickers-test, • Rockwell-test.

Vid Brinell-tester trycks en h ¨ardad boll in i ytan p ˚a materialet som skall testas. Detta sker under en p ˚a f ¨orhand given tid med en p ˚a f ¨orhand given last. D ˚a f ˚as h ˚ardheten i Brinell-skala genom att unders ¨oka hur l ˚angt in i materialet den h ¨ardade bollen tr ¨anger [27].

Vid Vickers-tester trycks en diamantformad spets in i materialets yta. Detta sker ocks ˚a med en given kraft under en given tid. Kraften som anv ¨ands kan variera, ¨aven tiden kan variera men ligger normalt mellan 10-15 sekunder. Sedan ber ¨aknas h ˚ardheten, och f ˚as i

(22)

Vickers-skala, som funktion av kraften som ¨ar p ˚alagd och arean av m ¨arket som spetsen l ¨amnar [28].

Rockwell anv ¨ander en liten boll eller en liten kon som spets f ¨or h ˚ardhetsprovning. I ¨ovrigt sker det p ˚a liknande s ¨att som Vickers- och Brinell-tester. Speciellt f ¨or Rockwell ¨ar att testet inte endast har en skala som h ˚ardheten erh ˚alls i, ist ¨allet kan h ˚ardheten f ˚as i olika skalor: HRA, HRB, HRC, etc. Vilken skala som anv ¨ands beror p ˚a hur formen p ˚a spetsen ser ut och vilken last som anv ¨ands [27].

Gemensamt f ¨or de tre olika testformerna ¨ar att ett litet objekt trycks in i ett materials yta. Det blir inte i n ˚agon av testerna n ˚agra st ¨orre skador p ˚a provet utan de ¨ar endast sm ˚a m ¨arken. Gemensamt f ¨or de tre olika metodena ¨ar ocks ˚a att de allihop har olika skalor att ange h ˚ardheten i.

3.3

Mikroskopi

Mikroskopi ¨ar det tekniska omr ˚adet som hanterar anv ¨andandet av mikroskop f ¨or att ob-servera objekt eller delar av objekt som inte kan ses med blotta ¨ogat. Mikroskop finns i m ˚anga utf ¨oranden och typer. N ˚agra exempel ¨ar: ljusmikroskop, transmissionselektron-mikroskop, svepelektronmikroskop och atomkraftmikroskop. Vilket mikroskop som skall anv ¨andas beror p ˚a vad som skall studeras, vilken uppl ¨osning som kr ¨avs och vilka resur-ser som finns. M ˚anga mikroskop kan vara dyra och kostsamma att anv ¨anda d ˚a de ¨ar komplicerade och beh ¨over h ¨og noggrannhet vid tillverkning.

3.3.1 Ljusmikroskopi

Ljusmikroskop anv ¨ander linser i olika kombinationer och konstellationer f ¨or att f ¨orstora ytstrukturen av ett objekt [29]. Ljusmikroskopi g ¨or det m ¨ojligt att avg ¨ora ytstrukturens ut-seende samt vilka v ˚agl ¨angder av synligt ljus materialet reflekterar, den teoretiska max-uppl ¨osningen f ¨or ett ljusmikroskop ¨ar ca 0.2 µm. Ljusmikroskop anses vara billigt och ett vanligt alternativ vid j ¨amf ¨orelse med andra typer av mikroskop, ¨aven tillg ¨anglighet och anv ¨andarv ¨anlighet ¨ar f ¨ordelar med ljusmikroskop.

3.3.2 Svepelektronmikroskopi (SEM)

Svepelektronmikroskopi ¨ar en typ av elektronmikroskop som anv ¨ander sig av en fokuse-rad str ˚ale av elektroner f ¨or att skapa en bild av ett objekt [29]. Detta ˚astadkoms genom att elektronstr ˚alen sveper ¨over provet i ett rasterm ¨onster. N ¨ar elektronerna tr ¨affar pro-vets yta produceras sekund ¨ara elektroner, bak ˚atspridda elektroner, Auger elektroner och katodluminiscens. Med hj ¨alp av dessa olika signaltyper kan materialets yttopografi, sam-mans ¨attning och ledningsf ¨orm ˚aga avg ¨oras. Uppl ¨osningen p ˚a ett svepelektronmikroskop kan g ˚a ner till ca 0.1 nm. Svepelektronmikroskopi ¨ar en relativt dyr teknik och ¨ar mer sv ˚artillg ¨anglig i j ¨amf ¨orelse med ljusmikroskopi. Svepelektronmikroskopen ¨ar ofta mindre intuitiva och kr ¨aver mer kunskap f ¨or att bruka.

(23)

3.3.3 Provberedning

F ¨or att m ¨ojlig ¨ora unders ¨okning av prover med hj ¨alp av mikroskopi m ˚aste provbitarna f ¨or-bearbetas. Detta g ¨ors d ˚a skillnaden i struktur av de olika faserna ¨onskas framh ¨avas. F ¨or att g ¨ora detta kapas provbitarna f ¨orst ner i en geometri som ¨ar hanterbar med den be-arbetningsutrustning som skall anv ¨andas. D ˚a provbitarna f ˚att en ¨onskad geometri ska den ytan av provet som ska unders ¨okas slipas. Vilket g ¨ors i steg med finare och finare kornstorlek p ˚a bearbetningsmaterialet [30]. N ¨ar ett ¨onskat resultat har uppn ˚atts med slip-ning p ˚ab ¨orjas polering av provbiten. ¨Aven detta moment g ¨ors i steg med allt finare korn. Vid poleringen anv ¨ands suspensionsv ¨atska inneh ˚allande korn som h ¨alls p ˚a en polerings-duk. Kornen ¨ar vanligtvis av diamant och har en kornstorlek mellan . . D ˚a en finare struktur

¨onskas kan korn av kiseldioxid eller aluminiumoxid anv ¨andas, .

Etsning av provbitar g ¨ors efter poleringen f ¨or att framh ¨ava strukturella skillnader i mik-rostrukturen. Det finns olika metoder f ¨or att etsa ett material. Av dessa ¨ar kemisk ets-ning den vanligaste metoden. Elektrolytisk och fysisk etsets-ning ¨ar andra metoder som g ˚ar att anv ¨anda. Kemisk etsning sker genom att en kemisk l ¨osning inneh ˚allande en oxidant, reaktant och modifieringskomponent, skapar elektrisk potential mellan olika strukturele-ment. Detta resulterar i att korngr ¨anser, olika faser samt orenheter kan urskiljas genom mikroskopi.

3.3.4 Kornstorlek

F ¨or att ta r ¨akna ut hur stora korn ¨ar i materialstrukturer finns det olika standardmetoder. Dessa finns f ¨or att s ¨akerst ¨alla att studier kan j ¨amf ¨oras med varandra utan att problem upp-st ˚ar p ˚a grund av skillnader i ber ¨akningsmetoder. En k ¨and och frekvent anv ¨and s ˚adan ¨ar ISO-standardmetoden [31]. Denna metod inneh ˚aller flera standardiserade tillv ¨agag ˚angss ¨att f ¨or att r ¨akna ut kornstorlek i en metallegering. Metoderna beskriva i standarden g ˚ar ut p ˚a att best ¨amma konstorlekens index. Denna kan exempelvis ber ¨aknas med hj ¨alp av

m = 8 · 2G (5)

eller

G = lg m

lg 2 − 3 (6)

d ¨ar G ¨ar kornstorleksindexet och m ¨ar antalet korn per kvadratmillimeter p ˚a det un-ders ¨okta provets yta. F ¨or att ta reda p ˚a m anv ¨ands olika gemometrier som l ¨aggs p ˚a en ytstruktur som skall unders ¨okas. Exempel p ˚a s ˚adana geometrier ¨ar en rektangel eller en cirkel. Ett exempel p ˚a hur en rektangel kan l ¨aggs ut visas i figur 7. N ¨ar denna rektangel

¨ar placerad ber ¨aknas m med hj ¨alp av

m = (g2/AF)n, (7)

d ¨ar Af ¨ar rektangelns verkliga area g ¨ar f ¨orstoringen och n ¨ar det totala ekvivalenta antalet

korn p ˚a den unders ¨okta arean. V ¨ardet p ˚a n tas fram med hj ¨alp av

(24)

d ¨ar n1 ¨ar det totala antalet korn som ¨ar helt inne i den utplacerade rektangeln och n2

¨ar antalet korn som rektangelns fyra korsar. Den totala summan av kornen som ligger i rektangelns fyra h ¨orn anses vara ett och dessa korn r ¨aknas d ¨arf ¨or inte med i n2.

Figur 7: Exempel p ˚a hur en rektangel f ¨or att ber ¨akna kornstorlek kan placeras. Andra beskriva tillv ¨agag ˚angss ¨att i ISO-standarden ¨ar genomsk ¨arnings-metoden (inter-section) och genomskjutnings-metoden (intercept). Med genomsk ¨arnings-metoden ber ¨aknas antalet sk ¨arningspunkter mellan en testlinje, antingen rak eller b ¨ojd, och korngr ¨anserna i det omr ˚ade som v ¨aljs ut. Linjen placeras ut p ˚a flera olika slumpm ¨assigt valda platser i det studerade omr ˚adet. Ett medelv ¨arde, ¯P, ber ¨aknas f ¨or att sedan divideras med den sanna l ¨angden f ¨or testlinjen, LT, f ¨or att erh ˚alla antalet sk ¨arningspunkter per l ¨angdenhet, ¯PL.

Vid anv ¨andning av genomskjutnings-metoden ber ¨aknas antalet korn som en testlinje, antingen rak eller b ¨ojd, genomskjuter. Om testlinjen startar eller slutar i ett korn r ¨aknas det kornet som ett halvt korn. Denna linje placeras sedan ut p ˚a flera slumpm ¨assigt valda st ¨allen i det omr ˚adet som unders ¨oks. Ett medelv ¨arde, ¯N, ber ¨aknas f ¨or att sedan divideras med den sanna l ¨angden f ¨or testlinjen, LT, f ¨or att erh ˚alla antalet korn genomskjutna per

(25)

3.3.5 Fasandelar - volymfraktion

I metallegeringar finns det som tidigare n ¨amnts olika faser. Det ¨ar ofta intressant att best ¨amma dessa faser, bland annat f ¨or att kunna f ¨oruts ¨aga hur ett material kan bete sig mekaniskt. Eller vice veras f ¨orklara varf ¨or ett material uppf ¨or sig som det g ¨or.

Det finns olika metoder att best ¨amma fasandelar med. Det g ˚ar att ber ¨akna fasande-lar med olika typer av mikroskop s ˚asom svepelektronmikroskop, transmissionselektron-mikroskop och ljustransmissionselektron-mikroskop. En metod som anv ¨ands i samband med ljustransmissionselektron-mikroskopi ¨ar punktmetoden [32]. Denna metod bygger p ˚a att l ¨agga ut ett n ¨at med punkter p ˚a en 2-dimensionell yta. D ¨arefter ber ¨aknas de punkter som tr ¨affar en specifik fas. Den del av punkter som faller p ˚a en fas motsvarar d ˚a areafraktionen av denna fas. D ¨arefter antas att volymfraktionen ¨ar samma som areafraktionen f ¨or de faser som r ¨aknas. Noggrannheten i unders ¨okning stiger med antalet punkter i det utlagda n ¨atet samt antalet ber ¨akningar inom varje areaenhet.

(26)

4

Experimentellt arbete

F ¨or att unders ¨oka hur tv ˚a olika legeringar av austenitiskt mangansat ˚al p ˚averkas vid di-rekt sl ¨ackning i j ¨amf ¨orelse med v ¨armebehandling gjuts provkroppar. Tv ˚a olika legeringar unders ¨oks f ¨or att fastst ¨alla hur skillnader i den kemiska sammans ¨attningen f ¨or tv ˚a olika manganst ˚al p ˚averkar resultatet. Provkropparna unders ¨oks efter framst ¨allning genom att analysera mikrostrukturen och h ˚ardheten hos materialet. Tv ¨arsnittet f ¨or provkropparna som tas fram visas i figur 8. Provkropparna ¨ar 225 mm djupa.

Figur 8: Tv ¨arsnitt f ¨or de provkroppar som framst ¨alls.

4.1

Framtagning av provkroppar - f ¨

orberedelser

F ¨or att ta fram provkroppar tillverkas f ¨orst eng ˚angssandformar som kommer att anv ¨andas vid gjutningen av dessa provkroppar. F ¨or att ta fram sandformar anv ¨ands en tr ¨aform som visas i figur 9. Alla sandformar tas fram med hj ¨alp av tr ¨aformen, men processen f ¨or att ta fram provkroppar f ¨or direkt sl ¨ackning och v ¨armebehandling skiljer sig ˚at. Detta presente-ras nedan.

(27)

Figur 9: Tr ¨aform som anv ¨ands f ¨or att tillverka sandformar till provkroppar.

4.1.1 Direkt sl ¨ackning

H ¨alften av sandformarna som skall anv ¨andas vid direkt sl ¨ackning f ¨orses med isolering. Placeringen av denna isolering kan ses i figur 10. Anledningen till att h ¨alfen av formarna f ¨orses med isolering ¨ar f ¨or att unders ¨oka om det ger n ˚agon effekt p ˚a mikrostrukturen. Isoleringen tros ge l ¨angre stelningstid d ˚a v ¨armeledningsf ¨orm ˚agan hos isoleringen ¨ar l ¨agre ¨an v ¨armeledningsf ¨orm ˚agan i sanden, vilket g ¨or att temperaturen i provkroppen kommer att vara h ¨ogre om sl ¨ackningen sker vid samma tid i j ¨amf ¨orelse med de formar som inte f ¨orses med isolering.

(28)

(a) Isolering som l ¨aggs i sidorna p ˚a sandformarna.

(b) Placering av isolering som ligger i botten p ˚a sandformarna.

Figur 10: Placering av isolering i sandformar. Isoleringen markeras med beteckningen ISO i bilderna

N ¨ar sandformarna f ¨or de provkroppar som skall sl ¨ackas direkt ¨ar f ¨ardiga och har h ¨ardat tas en l ¨osning fram f ¨or att placera termoelement som skall gjutas in i provkropparna. Ter-moelementen anv ¨ands f ¨or att kunna registrera temperaturer under gjutning och sl ¨ackning. Oavsett om formarna ¨ar f ¨orsedda med isolering eller inte placeras termoelement i prov-kroppen. Placeringen av termoelementen kommer att vara i provkropparnas kanter. An-ledningen till denna placering ¨ar f ¨or temperaturen n ¨ara en yta vill m ¨atas. En st ¨allning tas fram f ¨or att kunna h ˚alla termoelementen p ˚a r ¨att plats under gjutningen. Denna st ¨allning kan ses i Bilaga A. Termoelementen placeras i sandformen uppifr ˚an och h ˚alls p ˚a plats av st ¨allningen. Termoelementen ¨ar kopplade till en logger som registrerar temperatureren fr ˚an termoelementen. Denna logger ¨ar kopplad till en dator d ¨ar en programvara registrerar all data som visar temperaturen. Med hj ¨alp datan ¨ar det sedan m ¨ojligt att f ˚a fram kurvor f ¨or hur temperaturen varierar i provet med avseende p ˚a tiden. Termoelementen tillverkas ocks ˚a och f ¨orses med f ¨orseglingar f ¨or att kunna klara av att bli doppade i vatten d ˚a de vill h ˚allas kvar i provkropparna under sl ¨ackning.

P ˚a grund av att induktionsugnen som fr ˚an b ¨orjan var t ¨ankt att anv ¨andas f ¨or att g ¨ora sm ¨altan inte ¨ar i funktionsdugligt skick vid framst ¨allandet av provkropparna m ˚aste ¨andringar g ¨oras med h ¨ansyn till placering av termoelementen. Detta eftersom placeringen av dessa kommer vara i v ¨agen vid den process som ist ¨allet kommer att anv ¨andas. ¨Andringarna best ˚ar av att ist ¨allet borra in termoelementen i sandformarna f ¨or att sedan f ¨asta dessa med en keramisk pasta eller lim. Termoelementens placering i formarna visas i figur 11. Totalt tillverkas sex formar till provkropparna som skall sl ¨ackas direkt tre stycken med iso-lering och tre stycken utan. Dessa sex sandformar utrustas med tv ˚a termoelement per form enligt figur 11.

(29)

Beslut tas ¨and ˚a om att termoelementen fortfarande skall sitta i sandformarna s ˚a att data inf ˚angas. Beslut tas ocks ˚a att tidspunkten f ¨or sl ¨ackningen enbart baseras p ˚a gjutsimu-leringar som g ¨ors i MAGMA, som f ¨oljd av att termoelementen inte visar helt trov ¨ardiga temperaturer.

Figur 11: Sandformar med termoelement.

4.1.2 V ¨armebehandling

De sandformar som ¨ar till de provkroppar som skall v ¨armebehandlas f ¨orses inte med n ˚agra termoelement eller n ˚agon isolering. Detta eftersom v ¨armebehandlingen l ¨oser upp materialet igen och temperaturerna i materialet inte spelar lika stor roll direkt efter gjut-ning. Totalt framst ¨alls tre stycken sandformar som skall anv ¨andas f ¨or att gjuta provkroppar som sedan v ¨armebehandlas.

4.2

Ber ¨akningar - h ˚allpunkter

F ¨or att ber ¨akna stelningstiden f ¨or provkropparna anv ¨ands Chvorinov’s nya regel enligt ka-pitel 2.1.2. M ˚anga av konstanterna i Chvorinov’s regel ¨ar beroende av temperatur. D ¨arf ¨or ber ¨aknas ett medelv ¨arde av konstanterna i det omr ˚adet som stelningen kommer att ligga i. Detta g ¨ors utifr ˚an m ¨atdata ifr ˚an flera olika temperaturer f ¨or sandend som anv ¨ands i sand-formarna och f ¨or det austenitiska manganst ˚alet. M ¨atdatan ¨ar tillhandah ˚allen av Sandvik. V ¨ardet p ˚a konstanterna som anv ¨ands i ber ¨akningen kan ses i tabell 3. ¨Aven gjutsimule-ringar g ¨ors p ˚a provkroppen i gjutsimuleringsprogrammet MAGMA f ¨or att f ˚a fram de op-timala tiderna att sl ˚a upp sandformarna samt sl ¨acka provkropparna vid. Resultaten f ¨or

(30)

ber ¨akning samt simuleringar presenteras i tabell 4. D ˚a konstanten n ligger mellan 1,5 och 2 i ber ¨akningarna med Chvorinov’s regel presenteras hela spannet. Ber ¨akningarna utf ¨orda med Chvorinov’s regel anv ¨ands som en rimlighetskontroll f ¨or att kontrollera att simuleringarna gjorda i MAGMA ¨ar inom rimliga gr ¨anser. Det ¨ar tiderna som f ˚as vid simu-lering i MAGMA som sedan kommer anv ¨andas vid framst ¨allandet av provkropparna. Tabell 3: Variabler och dess v ¨arden som anv ¨ands i ber ¨akningar f ¨or provkropparnas stel-ningstid, Chvorinov’s regel.

Variabel: V ¨arde: ρm 7044.5 kg/m3 −∆H 222 kJ/kg Ti 17◦C T0 1465◦C Kf 0.7543 W/m · K ρf 1784.7 kg/m3 cf p 1212.9 J/kg · K cm p 774.25 J/kg · K ∆T 79◦C V 1174725.00 mm3 A 87452.11 mm2

Tabell 4: H ˚allpunkter f ¨or direkt sl ¨ackning av provkroppar. Tiden som visas ¨ar fr ˚an att sm ¨altan har h ¨allts upp i sandformarna.

Typ av h ˚allpunkt Tid (s) Stelningstid (Chvorinov’s regel) 122-1051

Uppslag (MAGMA) 360 Sl ¨ackning (MAGMA) 390

4.3

Gjutning samt sl ¨ackning av provkroppar

Sm ¨altor med r ¨att kemisk sammans ¨attning tas fram i en ljusb ˚agsugn. Sammans ¨attningen kontrolleras med hj ¨alp av emissionsspektroskopi. Totalt g ¨ors prover fr ˚an tre olika sm ¨altor, tv ˚a stycken av en legeringen som kallas M1 och en legering som kallas M7. Fr ˚an varje sm ¨alta g ¨ors tre provkroppar. En provkropp fr ˚an en sandfrom som ¨ar isolerad och utrustad med termoelement, en provkropp av en sandform som inte ¨ar isolerad men utrustad med termoelement och en provkropp ur en sandform utan n ˚agon extra utrustning d ˚a detta prov skall v ¨armebehandlas och sedan sl ¨ackas. De prover som v ¨armebehandlas fr ˚an varje sm ¨alta utg ¨or m ˚attstockar och ¨ar det provet som de andra provkropparna kommer j ¨amf ¨oras med.

(31)

Vid framst ¨allningen av provkropparna sm ¨alts metaller ner i ljusb ˚agsugnen till en sm ¨alta. Sm ¨altan tempereras d ¨arefter till r ¨att temperatur och h ¨alls sedan upp i en sk ¨ank f ¨or att kun-na h ¨allas i de eng ˚angssandformar som ¨ar f ¨orberedda. Ugnen och sk ¨anken som anv ¨ands visas i figur 12. Legeringarnas kemiska sammans ¨attning fr ˚an de tre olika sm ¨altorna visas i tabell 5-7.

Tabell 5: Kemisk sammans ¨attning f ¨or sm ¨alta 1, S1. Sm ¨altan ¨ar av typen M1. % C % Si % Mn % P % S % Cr % Ni % Mo

1,20 0,513 13,96 0,047 0,000 1,40 0,09 0,05 % V % Cu % Al % Ti % Co % Nb % N % Fe 0,02 0,08 0,037 0,093 0,021 0,015 0,0236 82,5

Tabell 6: Kemisk sammans ¨attning f ¨or sm ¨alta 2, S2. Sm ¨altan ¨ar av typen M7. % C % Si % Mn % P % S % Cr % Ni % Mo

1,42 0,56 18,00 0,054 0,001 1,88 0,09 0,10 % V % Cu % Al % Ti % Co % Nb % N % Fe 0,03 0,06 0,029 0,108 0,028 0,015 0,0232 77,6

Tabell 7: Kemisk sammans ¨attning f ¨or sm ¨alta 3, S3. Sm ¨altan ¨ar av typen M1. % C % Si % Mn % P % S % Cr % Ni % Mo

1,17 0,68 14,13 0,051 0,000 1,39 0,08 0,04 % V % Cu % Al % Ti % Co % Nb % N % Fe 0,02 0,07 0,030 0,082 0,024 0,011 0,0234 82,18

(32)

(a) Ljusb ˚agsugn som anv ¨ands f ¨or att framst ¨alla sm ¨altor med.

(b) Sk ¨ank som anv ¨ands f ¨or att h ¨alla upp sm ¨altan i formar.

(33)

Efter att sm ¨altan h ¨allts upp i formarna till ˚ats provkropparna stelna. De provkroppar som skall v ¨armebehandlas till ˚ats svalna l ˚angsamt till rumstemperatur. De provkroppar som skall sl ¨ackas direkt avl ¨agsnas ur sanden och sl ¨acks vid angiven tid. F ¨or att avg ¨ora n ¨ar r ¨att tidspunkt f ¨or att sl ˚a upp sandformarna och sedan sl ¨acka provkropparna anv ¨ands data h ¨amtade ur gjutsimuleringar som ¨ar gjorda av Sandvik i gjutsimuleringprogrammet MAGMA. Dessa tider kan ses i tabell 4. Vid den angivna tidspunkten placeras provkrop-parna p ˚a ett galler f ¨or att sl ¨ackas i ett vattenbad. Vattnet i vattenbadet r ¨ors om manuellt f ¨or en mer effektiv sl ¨ackning. Temperaturen registreras fram till att proverna avl ¨agsnas fr ˚an sandformen. Temperaturm ¨atningarna slutar d ¨ar d ˚a samtliga termoelement brister vilket g ¨or att temperaturm ¨atningar f ¨or sl ¨ackingen inte ¨ar m ¨ojlig. Hela f ¨orloppet fr ˚an att sm ¨altan h ¨alls upp till sl ¨ackning illustreras i figur 13. Provkropparna efter sl ¨ackning visas i figur 14. Realtiderna f ¨or alla h ˚allpunkter visas i tabell 8.

De provkroppar som urskiljningsbehandlas g ˚ar igenom den v ¨armebehandlingsprocess som Sandvik anv ¨ander vid v ¨armebehnadling av mantlar i deras normala produktion. I den-na process g ˚ar provkropparden-na igenom sju olika steg. Varje steg har en specifik temperatur och en best ¨amd tid. Det sista steget i v ¨armebehandlingen h ˚aller en temperatur p ˚a omkring 1040◦ C. Efter de sju stegen sl ¨acks provkropparna i ett vattenbad med cirkulation.

Tabell 8: Reella h ˚alltider f ¨or de framtagna provkropparna.

Provkroppstyp/h ˚allpunkt Tider sm ¨alta 1 (s) Tider sm ¨alta 2 (s) Tider sm ¨alta 1 (s)

Isolerad uppslag: 365 324 356

Oisolerad uppslag: 392 366 359 Isolerad sl ¨ackning: 437 369 459 Oisolerad sl ¨ackning: 411 411 416

(34)

(a) Sm ¨alta h ¨alls fr ˚an sk ¨ank ner i sandformar. (b) Uppslag av provkroppar ur sandformar.

(c) Provkroppar ¨ar upplagda f ¨or att hissas ner i vattenbad och sl ¨ackas.

(d) Manuell omr ¨orning av vattnet vid sl ¨ackning av provkroppar.

(35)

Figur 14: F ¨ardiggjutna provkroppar.

4.4

Unders ¨

okning av prover

D ˚a provkropparna ¨ar gjutna, sl ¨ackta och de provkroppar som skall v ¨armebehandlas har genomg ˚att v ¨armebehandlingsprocessen, p ˚ab ¨orjas provberedningen. F ¨orsta steget i den-na process ¨ar att kapa ut provbitar fr ˚an provkropparden-na med l ¨amplig geometri och placering i provkroppen. N ¨ar provbitarnas placering i provkropparna best ¨ams antas symmetri kring centrumplanet i figur 15. Detta g ¨ors f ¨or att f ˚a ut totalt 6 provbitar ur var enskild provkropp, d ¨ar 3 av provbitarna ¨ar placerade p ˚a speglat avst ˚and i centrumplanet. De mindre provbi-tarna i figur 15 anv ¨ands vid unders ¨okning av mikrostrukturen medan de st ¨orre provbiprovbi-tarna anv ¨ands vid h ˚ardhetsprovning. De mindre bitarna i figur 15 ¨ar lagda p ˚a olika avst ˚and fr ˚an provkroppens nederkant. Detta g ¨ors f ¨or att f ˚a en s ˚a stor spridning som m ¨ojligt d ˚a det sist stelnade materialet ligger mitt i provkroppen, vilket kan komma att p ˚averka mikrostruktu-rens utseende.

Vid kapning av provkroppar ¨ar det viktigt att kapningsprocessen inte ˚asamkar n ˚agra f ¨or ¨andringar i mikrostruktren. D ¨arf ¨or ¨ar det viktigt kapningsprocess ¨ar en kall process, d ˚a h ¨og v ¨arme kan kan f ¨or ¨andra mikrostrukturen i provkropparna. Kapningen genomf ¨ors d ¨arf ¨or med mycket l ˚angsam matning p ˚a kapskiva och med mycket kylv ¨atska.

(36)

Figur 15: Bild p ˚a provkropp med utmarkerade provbitar. De sm ˚a r ¨oda provbitar anv ¨ands till ljusmikroskopi. De lite st ¨orre bl ˚a anv ¨ands till h ˚ardhetsprovning.

4.4.1 Mikrostruktur

F ¨or att kunna genomf ¨ora unders ¨okningen av mikrostrukturen kr ¨avs ytterligare provbe-redning av provbitarna efter kapning. F ¨or att underl ¨atta provbeprovbe-redningen av ytan som unders ¨oks gjuts provbitarna in i bakelit. Detta d ˚a det underl ¨attar fixering i poleringsutrust-ning. Ytan som ska unders ¨okas slipas f ¨orst med P220 sandpapper. Ytan poleras sedan i tre steg med suspensionsv ¨atska inneh ˚allande korn i storlekarna 9 µm, 3 µm och 1 µm. F ¨or att framh ¨ava ¨onskad struktur kr ¨avs att ytan etsas efter poleringen ¨ar slutf ¨ord, detta g ¨ors med en nital-l ¨osning p ˚a tv ˚a procent.

Provbitarna unders ¨oks sedan med ljusmikroskopi d ¨ar fyra bilder tas vid en f ¨orstoring p ˚a 100x p ˚a varje provbit, exempelbilder visas i figur 16. Dessa bilder tas p ˚a slumpm ¨assiga platser i provbitens geometri. Bilderna tas f ¨or att anv ¨andas vid analys i senare skede.

¨

Overblicks- och detaljbilder tas ¨aven p ˚a mikrostrukturen vid en f ¨orstoring p ˚a 50x respek-tive 200x. D ˚a samtliga provbitar ¨ar unders ¨okta i ljusmikroskop p ˚ab ¨orjas unders ¨okningen av mikrostrukturen. Denna unders ¨okning g ¨ors med tre aspekter g ¨allande mikrostrukturen, kornstorlek och andelen karbider i provbitarna. F ¨or att unders ¨oka kornstorleken ber ¨aknas arean, AF, som bilderna med en uppl ¨osning p ˚a 100x t ¨acker, det totala ekvivalenta antalet

korn, n, ber ¨aknas sedan inom den givna arean enligt ekvation 8. Utifr ˚an dessa tv ˚a v ¨arden ber ¨aknas sedan kornstorleksindexet enligt ekvation 7 och 6. Samma bilder anv ¨ands se-dan f ¨or att ber ¨akna andelen karbider. Andelarna ber ¨aknas genom punktr ¨akningsmetoden enligt avsnitt 3.3.5. F ¨or att genomf ¨ora ber ¨akningen anv ¨ands ett rutn ¨at best ˚aende av 300

(37)

punkter. Samtliga ber ¨akningar inklusive kornstorleken g ¨ors p ˚a alla fyra bilder f ¨or alla prov-bitar.

(a) Direkt sl ¨ackt provbit, lokaliserad n ¨armast kanten i figur 15.

(b) Direkt sl ¨ackt provbit, lokaliserad n ¨armast centrum i figur 15.

(c) Uppl ¨osningbehandlad provbit, lokaliserad n ¨armast kanten i figur 15.

(d) Uppl ¨osningbehandlad provbit, lokaliserad n ¨armast centrum i figur 15.

Figur 16: I figuren visas bilder tagna i ljusmikroskop fr ˚an tv ˚a olika provkroppar b ˚ada fr ˚an sm ¨alta 1, legering M7. De tv ˚a bilder till v ¨anster ¨ar tagna fr ˚an en oisolerad prov-kropp som blivit direkt sl ¨ackt, de tv ˚a bilderna till h ¨oger ¨ar tagna fr ˚an en oisolerad uppl ¨osningsbehandlad provkropp.

F ¨or att s ¨akerst ¨alla vad som ¨ar ¨ar karbider och porer och matris g ¨ors mikroh ˚ardhetstester p ˚a utvalda platser i en av provbitarna. Indentationerna fr ˚an dessa tester kan ses i figur 17 och resultaten fr ˚an h ˚ardhetsm ¨atningarna samt hypotesen efter visuell inspektion

(38)

presen-teras i tabell 9. I tabellen st ˚ar HV1 f ¨or Vickers-test och HRC f ¨or Rockwell C-test, metoden som anv ¨ands vid h ˚ardhetprovningen ¨ar Vickers med en lastkraft p ˚a 9,80 N och en belast-ningstid p ˚a 10 sekunder.

Figur 17: Intrycken fr ˚an mikroh ˚ardhetsprovningar.

Tabell 9: Resultat fr ˚an mikroh ˚ardhetsm ¨atningar.

Pos: HV1 HRC Visuell 1 120 0 Por 2 85,5 0 Por 3 117 0 Por 4 214 14,2 Matris 5 239 20,2 Matris 6 257 23,5 Matris 7 302 30 Karbid 8 313 31,3 Karbid 9 310 31 Karbid 4.4.2 Macroh ˚ardhetsprovning

H ˚ardhetsprovningen g ¨ors direkt p ˚a den kapade ytan d ˚a ytfinheten anses vara tillr ¨ackligt fin f ¨or att f ˚a korrekta resultat. Tv ˚a typer av h ˚ardhetsprovning genomf ¨ors p ˚a varje provbit, dessa ¨ar av typen Rockwell C och Brinell. H ˚ardhetsprovningen enligt Rockwell C g ¨ors p ˚a 36 punkter distribuerade p ˚a provbitens yta enligt figur 18a. Detta g ¨ors f ¨or att f ˚a en bild av skillnaden i h ˚ardhet ¨over tv ¨arsnittets hela geometri samt att f ˚a ett genomsnitt av h ˚ardheten fr ˚an varje provbit. D ˚a Rockwell C provningen har f ¨ardigst ¨allts f ¨oljs m ¨atningar upp med Brinell-tester med en kuldiameter p ˚a 10 mm och en belastningstid p ˚a ca 13 sekunder. Brinell-testerna g ¨ors enligt figur 18b mellan indenteringarna fr ˚an Rockwell-testningen. Det g ¨ors totalt 24 m ¨atningar per provbit med Brinell-metoden, detta av samma anledning som Rockwell-testerna. B ˚ada metoderna anv ¨ands f ¨or att styrka resultaten fr ˚an var metod. Brinell-metoden t ¨acker en st ¨orre yta ¨an Rockwell-metoden, detta ger en mer genomsnittligt resultat av h ˚ardheten inom det testade omr ˚adet.

(39)

(a) Mall f ¨or makroh ˚ardhetsprovning. (b) Indentationer efter makroh ˚ardhetsprovning.

Figur 18: Mall f ¨or h ˚ardhetsprovning samt provbit efter utf ¨ord h ˚ardhetsprovning.

4.4.3 Svalningskurvor

D ˚a det uppt ¨ackts att de termoelement som anv ¨ants vid gjutningen av provkropparna inte visar helt r ¨att temperatururer beh ¨ovs korrigeringar i datan genomf ¨oras. F ¨or f ˚a ut mer rea-listiska kurvor utifr ˚an insamlad data fr ˚an gjutningen av provkroppar inf ¨orskaffas d ¨arf ¨or ett nytt termoelement som skall vara mer tillf ¨orlitligt d ˚a detta termoelement ¨ar kalibrerat p ˚a f ¨orhand. D ˚a felet som som visas fr ˚an de termoelementen som anv ¨ands vid gjutningen an-ses vara lika stort f ¨or all data, anpassas denna data utifr ˚an referenser som tas fram med det nya kalibrerade termoelementet. Referenserna tas fram genom att m ¨ata temperaturer i en ugn som g ˚ar upp till 1200◦C, d ¨ar b ˚ade det kalibrerade termoelementet och ett

termoe-lement av typen som anv ¨andes vid gjutningen av provkropparna m ¨ater data. D ¨arefter tas konverteringstabeller fram som sedan anv ¨ands f ¨or att korrigera datan som erh ˚allits vid framtagningen av provkroppar. Eftersom h ¨alltemperaturen ¨overstiger ugnens maximala temperatur kompletteras konverteringstabellerna med linj ¨aranpassad data f ¨or temperatu-rer ¨over 1200◦C. Utifr ˚an den korrigerade datan plottas sedan kurvor ¨over svalningen fr ˚an upph ¨allning till uppslag.

(40)

5

Resultat

Resultaten presenteras huvudsakligen i form av diagram. Detta f ¨or att l ¨att kunna ¨overblicka skillnaden i resultaten mellan variationerna av provkroppar. All data framtagen under un-ders ¨okningen presenteras ¨aven i tabellform och kan ses i bilaga B-D. Resultaten presen-teras i tre underkategorier: mikrostruktur, h ˚ardhetsprovning samt svalningskurvor.

5.1

Mikrostruktur

Resultat fr ˚an areafraktionsber ¨akningar illustreras i figur 19 och det som visas ¨ar procent-satsen karbider i de olika provkropparna. Vid j ¨amf ¨orelse av sm ¨alta ett, S1, s ˚a ligger de direkt sl ¨ackta provkropparna, isolerad och oisolerad, v ¨aldigt n ¨ara varandra medan den uppl ¨osningsbehandlade provkroppen visar en n ˚agot mindre andel karbider. I sm ¨alta tv ˚a, S2, ¨ar det generellt mer karbider i de direkt sl ¨ackta provkropparna, b ˚ade den isolerade och den icke isolerade, ¨an i den uppl ¨osningsbehandlade provkroppen. I S2 g ˚ar ocks ˚a att se att det ¨ar en ganska stor spridning p ˚a de direkt sl ¨ackta provkropparna. I sm ¨alta tre, S3, ligger de direkt sl ¨ackta, den oisolerade och den isolerade, provkropparna p ˚a ungef ¨ar sam-ma volymfrkation karibider ¨aven den uppl ¨osningsbehandlade provkroppen ligger ungef ¨ar p ˚a samma volymfrkatin karbider som de direkt sl ¨ackta provkropparna.

Figur 19: I diagrammet illustreras medelv ¨arden fr ˚an areafraktionsber ¨akningar av karbider f ¨or varje enskild provbit. En provkropp motsvarar en kolumn i diagrammet, S1, S2 och S3 st ˚ar f ¨or sm ¨alta 1, 2 och 3. ISO st ˚ar f ¨or isolerad direkt sl ¨ackt provkropp, .0 betcknar oisolerad direkt sl ¨ackt provkropp och UB betecknar uppl ¨osningsbehandlad provkropp.

Figure

Tabell 1: Variabler anv ¨anda i Chvorinov’s regel.
Figur 3: Exempel p ˚a vanliga kristallstrukturer[16]
Figur 5: Fasdiagram f ¨or austenitiskt manganst ˚al. H ¨ar betecknas austenitisk fas γ och ferritisk fas α [5].
Figur 6: K ¨arnbildning och k ¨arntillv ¨axt av perlit ur austenit [25].
+7

References

Related documents

Matematiska institutionen Stockholms

Man kan faktiskt g¨ora ett konfidensintervall f¨or medianen med konfidensgrad minst lika med 1 − α helt utan n˚ agra som helst antaganden om den bakom- liggande f¨ordelningen

Till exempel fick jag inte med n˚ agot Ljus- och Optikland i f¨ orsta f¨ ors¨ oket, och pilen mot Kosmologi, som ligger utanf¨ or den h¨ ar kartan, borde peka mer upp˚ at,

L¨ osningen till uppgift 2(b)(ii) fr˚ an provduggan Vi m˚ aste visa tv˚ a

Denna metod bygger p˚ a att vi k¨anner till hur det ligger till med den enda kritiska punkten (origo) hos ett icke-degenererat (inget egenv¨arde = 0 ) linj¨art system med

L˚ at y(t) vara andelen av populationen som ¨ar smittad efter tiden t dygn, r¨aknad fr˚ an uppt¨ack- ten... Observera att ¨amnets koncentration ¨ar samma som m¨angden av

[r]

Implementera algoritmen och testk¨ or med n˚ agra funktioner. Utveckla en utbytesalgoritm f¨ or L ∞ approximering av 2π-periodiska kontinuerliga funktioner med trigonometriska