Kan pulvermetallurgi utnyttjas som tillverkningsmetod för
högbelastade kugghjul? – En studie av tillvägagångssätt och
lämplighet
Can powder metallurgy be utilized as manufacturing method for high load gears? – A study of the procedure and appropriateness
Figur 1: En uppsättning kugghjul som är tillverkade enligt pulvermetallurgiskt förfarande.1
MG104X Examensarbete inom teknik och management
KTH vårterminen 2010
Sammanfattning
Pulvermetallurgi är en tillverkningsteknik för en stor mängd maskinkomponenter såsom kugghjul, lager och filter. Tillverkningen sker genom sammanpressning och upphettning, eller sintring, av ett fint metallpulver för att på så sätt direkt skapa komponenter med önskad form, istället för att behöva skära bort delar av detaljen för att det ska erhålla den önskade formen. Detta är särskilt fördelaktigt vid kugghjulstillverkning, på grund av deras komplexa former. Tekniken är även ekonomiskt fördelaktig eftersom den knappt producerar något spillmaterial alls i jämförelse med alternativa tillverkningstekniker.
Syftet med denna studie var att undersöka huruvida pulvermetallurgi är lämplig som tillverkningsmetod för kugghjul som ska användas i lastbilars växellådor, en applikation som kännetecknas av väldigt höga belastningar och driftsäkerhetskrav. Undersökningen genomfördes genom studie av tre fallstudier och en intervju.
Resultatet löd att pulvermetallurgi har svårt att mäta sig med de alternativa tillverkningsmetoder som finns för denna typ av kugghjul när det gäller uppnådd komponentlivslängd, förmodligen på grund av svårigheter med att minimera porer. Dock kan en omställning till kugghjul tillverkade enligt pulvermetallurgiskt vis fortfarande vara ekonomiskt försvarbart tack vare teknikens kostnadsfördelar som erhålls ur en lägre grad av materialförbrukning. Ett företags val av tillverkningsteknik bör baseras på vilken teknik som kan skapa den bästa och långsiktigt hållbaraste ekonomiska utvecklingen.
Abstract
Powder metallurgy is a manufacturing method for a vast amount of machine components, including gears, bearings and filters. The production is carried out through compression and heating, or sintering, of a fine metal powder, in order to directly produce components with the wanted geometrical dimensions instead of having to shape the components through cutting or machining procedures. This is especially advantageous when producing gears, because of their complex shapes. The technique is also economically advantageous since it barely produces any spill material at all in comparison to alternative manufacturing techniques.
The purpose of this study was to examine whether powder metallurgy could be an appropriate manufacturing method for gears used in the transmission of a truck, an application that is characterized by high loads and strong demands on dependability of the gears. The investigation was carried out through analyzing three case studies and through one interview.
The result stated that powder metallurgy has difficulties to compete with the other options of manufacturing methods that exists for this application when it comes to achievable component lifetime, which probably is a consequence of the difficulties in minimizing pores. Despite this may a switch to powder metallurgically manufactured gears still be economically sound thanks to the technology’s cost advantages due to the higher raw material utilization. A company’s choice of manufacturing technology should be based on which technology that can create the best and most long‐term sustainable economic development.
Innehållsförteckning
1 Introduktion... 5 1.1. Bakgrund ...5 1.2. Syfte ...5 1.3. Avgränsningar ...5 1.4. Metod...6 2 Vad är pulvermetallurgi?... 7 2.1. Inledning ...7 2.2. Användningsområden...8 2.3. Pulvermetallurgins grunder ...8 2.3.1. Pulvertillverkning ...8 2.3.1.1. Järnmalmsreduktion ...9 2.3.1.2. Atomisering ...9 2.3.2. Pulverformgivning ... 10 2.3.2.1. Koaxial pressning ... 10 2.3.2.2. Isostatisk pressning ... 11 2.3.2.3. Formsprutning ... 12 2.3.3. Sintring ... 12 2.3.3.1. Pulvergjutning... 13 2.3.4. Efterbehandling... 13 2.3.4.1. Återpressning ... 13 2.3.4.2. Ytförtätning... 14 2.3.4.3. Porutfyllnad ... 14 2.3.4.4. Uppkolning ... 15 3 Alternativa metoder för kugghjulstillverkning ... 16 3.1. Kugghjulstillverkning genom maskinell behandling av smitt stål ... 16 3.2. Kugghjulstillverkning genom formgjutning av stål ... 17 4 Empiriska data ... 18 4.1. Fallstudie 1: High Performance Gears for Heavy Duty Transmission... 18 4.1.1. Syfte och metod... 18 4.1.2. Resultat ... 19 4.1.3. Diskussion och slutsats... 19 4.2. Fallstudie 2: Bending Fatigue of Surface Densified Gears... 204.2.1. Syfte och metod... 20 4.2.2. Resultat ... 20 4.2.3. Diskussion och slutsats... 21 4.3. Fallstudie 3: Rolling Contact Fatigue Performance Contrasting Surface Densified, Powder Forged, and Wrought Materials... 21 4.3.1. Syfte och metod... 21 4.3.2. Resultat ... 22 4.3.3. Diskussion och slutsats... 22 4.4. Implikationer från intervju ... 23 5 Analys av resultat... 25 5.1. Analys... 25 5.2. Implikationer från analysen ... 25 6 Slutsats och diskussion ... 27 6.1. Slutsats ... 27 6.2. Kritisk granskning av eget arbete... 27 6.3. Förslag till fortsatt arbete ... 28 Referenser ... 29 Tryckta källor... 29 Intervjuer... 29 Internetkällor... 29 Fallstudier ... 29 Bilagor... 33 Bilaga A – Bilagor till fallstudie 1... 33 Bilaga B – Bilagor till fallstudie 2 ... 36 Bilaga C – Bilagor till fallstudie 3... 39
1
Introduktion
1.1.
Bakgrund
Tillverkning med hjälp av pulvermetallurgi (PM) är idag en utbredd och vida använd framställningsmetod för maskinkomponenter, bland annat kugghjul, till många olika användningsområden. Särskilt fordonsindustrin är en storkonsument av artiklar
tillverkade med PM‐metoden2. Hållfasthet och form på artiklarna går att variera
noggrant och anpassa genom val av olika bearbetningsutrustningar, legeringar och behandlingsförhållanden. Pulvermetallurgi har även ekonomiska fördelar i relation till andra jämförbara tillverkningsmetoder, eftersom både material‐ och energiåtgång är relativt sett låga. PM‐kugghjul har traditionellt inte varit lämpliga för applikationer med hög belastning3. Detta beror på att det har existerat svårigheter att på pulvermetallurgisk väg tillverka kugghjul med tillräckligt hög densitet för att kunna användas till applikationer med höga hållfasthetskrav. Ett sådant exempel är en lastbils växellåda. Dock har nya metoder gjort det möjligt att öka densiteten till högre nivåer, vilket kan innebär att pulvermetallurgi kan utgöra en rimlig tillverkningsmetod för kugghjul anpassade till dessa områden med höga krav på prestanda. Denna rapport kommer delvis att fokusera på pulvermetallurgin i stort, genom att ta upp och beskriva olika tillvägagångssätt och varianter av det pulvermetallurgiska förfarandet. Därefter kommer rapporten att fokusera mer på vilka möjligheter pulvermetallurgin har att utgöra ett konkurrenskraftigt alternativ för tillverkning av kugghjul som utsätts för väldigt höga belastningar under lång tid, genom att undersöka lämpligheten i att använda PM‐ kugghjul till växellådor och transmission i lastbilar.
Denna undersökning är relevant då de ekonomiska fördelar som PM‐kugghjul kan erbjuda kan vara till stor nytta för många företag. Eftersom undersökningen berör användningsområden som kännetecknas av hög belastning och höga krav på driftsäkerhet är det också viktigt att säkerställa att de undersökta metoderna inte bara är ekonomiskt gångbara, utan också att kugghjulen faktiskt har de egenskaper som krävs för att klara av de belastningar som de kan utsättas för.
1.2.
Syfte
Vilka möjligheter har PM‐kugghjul att konkurrera med traditionellt tillverkade kugghjul inom användningsområden som karakteriseras av hög belastning och höga krav på driftsäkerhet?
1.3.
Avgränsningar
För att kunna finna ett svar till frågeställningen ovan så har författaren valt att konkretisera den genom att i rapportens undersökningsdel fokusera på lämpligheten i att använda pulvermetallurgiskt tillverkade kugghjul i lastbilars växellådor och transmission. Detta val är baserat på faktumet att det nämnda användningsområdet kännetecknas av höga prestandakrav, på grund av de stora kraftöverföringar som sker genom transmissionen.
Undersökningen utgörs av en kvalitativ jämförelse mellan resultaten av de olika informationskällorna. Detta innebär att jämförelsen inte görs mellan absoluta tal, utan snarare mellan kvalitativa slutsatser. Av denna anledning har även de grafer och
diagram vars resultat betraktas lagts in som bilagor istället för direkt i texten. De relevanta delarna ur grafernas resultat presenteras istället skriftligt i texten i relation till referensvärden. Denna avvägning beror på svårigheter förknippade med att genomföra kvantitativa jämförelser mellan olika informationskällor.
1.4.
Metod
Kunskapsinhämtningen till denna undersökning har skett ur tryckt litteratur rörande teknologin, informationssökningar på internet, genomgång och analys av fallstudier och genom en intervju med Erik Sandqvist, anställd vid Scania.
De tre utvalda fallstudierna behandlar alla det utvalda fokusområdet genom att undersöka och jämföra olika pulvermetallurgiska tillverkningstekniker med de konventionella tekniker som finns. Den första fallstudien är baserad på en undersökning gjord i företagen Scanias och Höganäs regi. Scania är en välkänd lastbilstillverkare och Höganäs en stor producent av pulvermetallurgiskt tillverkade produkter. Den andra fallstudien är genomförd av PMG Ohio Corporation, ett företag som även det tillverkar komponenter på pulvermetallurgisk väg. Båda dessa studier är funna i den amerikanska branschtidsskriften Gear Solutions. Den tredje och sista studien är även den genomförd av Höganäs. Den är tagen ur en dokumentdatabas funnen på Höganäs webbplats. För att bidra med en annan synvinkel till rapporten ville författaren komma i kontakt med ett företag aktivt inom lastbilsindustrin, för att undersöka hur PM‐kugghjul faktiskt kan användas till växellådor och transmission inom den. Författaren tog kontakt med Scania och presenterade önskemålet och blev då hänvisad till Erik Sandqvist, chef för avdelningen för materialteknologi för axlar och transmission. Anledningarna till att valet av företag föll på Scania var delvis det faktum att huvudkontoret ligger placerat i Södertälje vilket möjliggjorde ett besök men också på grund av företagets goda relation till KTH, vilket upplevdes underlätta kontakten.
2
Vad är pulvermetallurgi?
2.1.
Inledning
Pulvermetallurgi är i korta drag ett gemensamt namn för en mängd olika tillverkningstekniker för material och komponenter som alla har den gemensamma egenskapen att de är skapade av ett fint metallpulver, där järn för det mesta är huvudkomponenten. Genom att tillsätta olika andelar av andra metaller kan man skapa
legerade material med en stor mängd olika egenskaper. Den första uppkomsten av den
moderna pulvermetallurgin skedde i början av 1800‐talet i Ryssland. Tekniken
användes då för tillverkning av platinamynt4. Idag har den vuxit till en storindustri inom
vilken en stor mängd skilda komponenttyper tillverkas.
Figur 2: Materialåtgång och förbrukad energi för olika komponenttillverkningstekniker. Sintringsprocessen utgör ett centralt steg inom pulvermetallurgin.5
En särskilt utmärkande egenskap för PM‐tillverkningsteknik är den relativt sett låga råmaterialförbrukningen vid tillverkningen, då det sällan är nödvändigt med efterbehandling av de färdiga föremålen. Detta leder också till en minskad energiåtgång då bearbetningstiden förkortas (Se figur 2). En annan fördel är att belastningen och slitaget per tillverkad enhet på tillverkningsutrustningen är relativt sett lågt, vilket leder till en hög noggrannhet för produkten och lång livstid för tillverkningsutrustningen. Detta gör att pulvermetallurgi är extra fördelaktigt vid väldigt stora tillverkningsvolymer.
2.2.
Användningsområden
Figur 3: Exempel på komponenter tillverkade med PMteknologi.6
Idag tillverkas många olika komponenter med hjälp av pulvermetallurgi. Tack vare de egenskaper och de processer som kännetecknar tillverkningsmetoden blir det möjligt att med minimalt materialsvinn tillverka artiklar med avancerade former. Tillverkningsförfarandet lämpar sig också för automatiserad produktion med stora produktvolymer. Förutom kugghjul tillverkas även många andra komponenter med
hjälp av pulvermetallurgi, som till exempel lager, filter, ventiler och vevstakar.7 Figur 3
visar några exempel på komponenter som tillverkats med denna teknologi.
2.3.
Pulvermetallurgins grunder
Till komponenttillverkning med hjälp av pulvermetallurgi hör i stora drag fyra steg. Dessa steg lyder som följande: 1. Pulvertillverkning. Pulver framställs genom sönderdelande av metall. 2. Formgivning. Pulvret formas genom sammanpressning. 3. Sintring. Artiklarna upphettas, vilket har en ökad hållfasthet som effekt. 4. Efterbehandling. Ofta nödvändigt om hållfastheten ska ökas ytterligare. I nedanstående punkter beskrivs stegen mer ingående. 2.3.1. Pulvertillverkning
Innan komponenttillverkningen kan starta måste först pulvret framställas. Genom att
variera val av råmaterial och processteknik och proportioner av eventuella
legeringsämnen kan pulvrets och det färdiga materialets egenskaper styras.8 Det finns
ett flertal metoder för att tillverka det pulver som sedan används för att tillverka PM‐ material. Nedan beskrivs två av dessa metoder. Därtill tillkommer även direkt malning av metallstycken och elektrolytisk utfällning.
2.3.1.1. Järnmalmsreduktion
Figur 4: Illustration av pulvertillverkning genom reduktion.9
En av de äldsta metoderna är baserad på järnmalmsreduktion. Finmalen järnmalm, vilket också kallas för slig, placeras koncentriskt tillsammans med kolpulver och kalkstenspulver i en reduktionsdegel, alltså en sorts förvaringskärl, tillverkad av kiselkarbid (SiC) enligt figur 4. Kärlet placeras sedan i en reduktionsugn där den hettas upp till en temperatur på ca 1200 grader Celsius, en temperatur som ligger under
smältpunkten för järn.10 Vid denna temperatur sker en kemisk reaktion som producerar
kolmonoxid och ger järn som reduktionsprodukt. Efter reduktionen får det nybildade järnet en struktur som kan liknas vid strukturen hos en tvättsvamp. Järnet mals sedan upp i mikropartiklar, vilka fortfarande behåller den ursprungliga svampstrukturen inom sig.11 2.3.1.2. Atomisering Figur 5: Illustration av pulvertillverkning genom atomisering med vatten som medium. En vattenstråle (water spray) skjuts in i smältan och delar upp den.12
En annan väldig vanlig pulverframställningsmetod är baserad på att låta en smält
metallegering med önskad komposition finfördelas med hjälp av en stråle.13 Den smälta
massan hälls i en degel för att sedan i en tunn stråle flöda ut ur ett munstycke som skingras av strålar av ett valt medium som vanligtvis består av vatten, men det kan även
vara luft eller gas. Strålarna bryter upp metallflödet i många små droppar som snabbt stelnar till pulverpartiklar (Se figur 5). Formen på partiklarna skiljer sig åt beroende på mediet. Om gas med låg värmekapacitet används blir partiklarna sfäriska, medans vid
användning av vatten får de väldigt oregelbundna former.14 Efter denna uppdelning
måste det skingrande mediet separeras från pulvret och i många fall krävs även ytterligare behandling för att få bort ett eventuellt ytlager som formats på partiklarna på grund av mediet.
Gemensamt för dessa och andra metoder är att de resulterar i ett pulver bestående av vad man skulle kunna definiera som mikro‐stycken eller mikro‐tackor. Med det menas att varje mikro‐stycke har formats individuellt, istället för att hela det slutgiltiga stycket tillverkas som en homogen bit. Det innebär att om ett fel på mikrostrukturell nivå uppstår i stycket så kan detta fel spridas över hela biten. Fel som kan uppstå kan exempelvis bero på att olika legeringselement inte beblandats ordentligt eller att lokala densitetssvackor har uppstått. Vid användandet av pulver för komponenttillverkning är däremot sådana mikrostrukturfel begränsade till det väldigt lilla stycke av den totala biten där det uppstod. Därför kan man med pulvermetallurgi helt undvika eller i alla fall
drastiskt minska problem relaterade till en oönskad mikrostruktur i materialet.15
2.3.2. Pulverformgivning
För att kunna gå vidare med tillverkningen måste metallpulvret formges. Det sker genom olika typer av sammanpressning. Nedan följer beskrivningar av några av de viktigare metoderna.
2.3.2.1. Koaxial pressning
Figur 6: Formgivning genom enaxlig pressning.16
Den viktigaste formgivningsmetoden för PM‐komponenter är tvåsidigt axial, eller koaxial, pressning i vertikalt led. Kombinationen av goda geometriska formgivningsmöjligheter, vilket innefattar både precisions‐ och upprepningsmöjligheter, och en hög produktivitet utgör denna metods största styrkor. Det koaxiala pressningsförfarandet sker rent konkret genom att metallpulver hälls i en form vari det sedan trycks samman av pressningsstämplar (Se figur 6). Pressningsmaskinen utgörs utöver själva formen av en överstämpel, en understämpel och om nödvändigt en eller
flera mittstavar för eventuella genomskärande hål till artikeln.17 Sammanpressningen
tryck pressar överstämpeln ner på en fixerad understämpel, medans vid dubbelriktat tryck pressar både över‐ och understämpeln på artikeln från två riktningar. Genom att variera utseendet på pressformen kan man skapa komponenter med många olika former och storlekar. Det finns dock vissa begränsningar av hur pass komplicerade geometrier som går att skapa. Efter pressning har artikeln i stora drag fått en form som överensstämmer med slutproduktens tänkta form. Dock skiljer sig fortfarande det mekaniska, fysiska och kemiska egenskaperna. Detta beror på att pulverpartiklarna ännu inte bundits metallurgiskt till varandra, utan bara mekaniskt.18 Artikeln har nu
nått det så kallade grönkroppsstadiet (Green Compact) i produktionskedjan. 2.3.2.2. Isostatisk pressning
Figur 7: Behållare för isostatisk pressning. Den elastiska formen överför presskraften från mediet till artikeln som sammanpressas jämnt över hela sin yta.19
Vid framställning av artiklar med komplexa och svårpressade former och för att få en förbättrad hållfasthet bör metoden isostatisk pressning användas. Denna pressningsteknik bygger på att artikelkroppen utsätts för ett jämnt tryck som ligger över hela dess yta. Det leder till en jämnare och högre densitet, i jämförelse med artiklar
sammanpressade av en pressmatris.20 Detta jämna tryck skapas med hjälp av ett
medium i form av en gas eller vätska. Det ännu icke sammanpressade pulvret placeras i en elastisk form, vilken sedan placeras i en tryckbehållare och pressas därefter samman av mediet när trycket i behållaren ökar, enligt figur 7.
Vid rumstemperatur lämpar sig i första hand vätska bäst som trycköverförande medium. Pressningsförfarandet kallas då för kallisostatisk pressning, eller CIP (Cold Isostatic Pressing). Efter pressning av stålpulver ligger densiteten på mellan 80 och 90
procent av densiteten hos en kropp av smitt stål.21 Utöver komplexa geometrier
möjliggör detta förfarande även framställandet av presskroppar med väldigt hög geometrisk noggrannhet i jämförelse med deras slutkonturer. Förfarandet gör det även
möjligt att foga samma komponenter bestående av olika material.22 Pressningstiden för
en presskropp, det vill säga tiden för en arbetscykel, ligger på mellan 10 och 30 minuter
vid detta förfarande.23 För sammanpressning, eller konsolidering, av metallpulver är ett
tryck på 400 MPa tillräckligt. Denna metod lämpar sig för små tillverkningsvolymer av större komponenter utan alltför komplicerad form, eftersom det endast är möjligt att
applicera ett jämnt tryck på enklare geometrier med denna metod.24
Elastisk form
Artikel som sammanpressas
En annan isostatisk konsolideringsmetod är varmisostatisk pressning, eller HIP (Hot Isostatic Pressing). Även vid detta förfarande placeras pulver i en form som utsätts för tryck. Skillnaden mot den tidigare beskrivna pressningsmetoden är att medans pressningen sker så hettas även formen och dess innehåll kraftigt upp. Det innebär att den använda formen måste vara tillräckligt värmetålig Arbetstemperaturen ligger vanligtvis mellan 800 och 1500 grader Celsius och det totala arbetstrycket ligger på
cirka 200 MPa.25 På grund av behovet av lång bearbetningstid och eftersom
anläggningen tar tid att tömma och fylla så klarar den högst 2 cykler på 24 timmar. Som trycköverförande medium används en gas, i regel argon, tack vare dess höga renhetsgrad. På grund av den upphettning som ingår i denna process behöver artikeln heller inte sintras ytterligare. Därför kallas denna metod även för trycksintring, då upphettandet kan liknas vid en sintringsbehandling. Utöver de egenskaper som kännetecknar kallpressade artiklar så erhåller de varmpressade artiklarna en ännu högre densitet och då även ännu bättre hållfastighetsegenskaper, detta på grund av de sintringsliknande uppvärmningsförhållandena. Anläggningskostnaderna är dock högre för denna metod jämfört med kall isostatisk pressning, på grund av den ökade energiåtgången vid uppvärmningen och den förlängda behandlingstiden.
2.3.2.3. Formsprutning
Ytterligare en formgivningsmetod är Powder Injection Molding, eller formsprutning på
svenska. Metallpulver blandas med ett bindningsämne, genomgår en
granuleringsprocess och injiceras sedan in en form där det pressas samman av det enaxiala tryck som driver på flödet in i formen. Bindningsämnet tas därefter bort genom
urlakning (leaching) eller utbränning (burn‐out).26 Denna avdrivning är en komplicerad
och tidsödande process då komponentens form måste vara oförändrad och ingen sprickbildning i komponenten får ske. Sedan sintras föremålet för att ge det en hög densitet. Med hjälp av denna metod kan man tillverka små komponenter med invecklad
geometri genom endast enaxlig pressning.27
2.3.3. Sintring
Som nästa steg i tillverkningsprocessen ska den sammanpressade grönkroppsartikeln sintras. Det innebär att artikeln passerar igenom en sintringsugn där den hettas upp kraftigt. Under sintringen sker diffusion på atomnivå vilket gör att pulverpartiklarna fogas samman tills de i princip inte längre går att åtskilja. Det leder till tillrundade och förminskade porer och en över lag lägre porositet i artikeln.28 Vid detta förfarande
bildas starka metallurgiska bindningar mellan partiklarna. Sintringsprocessen är på många sätt det viktigaste steget vid tillverkning av PM‐komponenter. Det är i detta skede som komponenten uppnår den hållfasthet och erhåller de materialegenskaper som den förväntas ha när den är färdig. Sintringsoperationer sker i princip alltid i en skyddad och kontrollerad atmosfär som inte innehåller ämnen som kan skada och förändra sintringen. Det är nödvändigt för att kunna förhindra oxidation i materialet och för att kunna reducera oxider som bildats på materialets yta.29
Temperaturen i sintringsugnen ligger vanligtvis mellan 60 och 90 procent av
smältpunktstemperaturen för den aktuella metallen eller legeringen.30 För speciella
pulverblandningar som består av delvis svårsintrade ämnen kan dock temperaturen under sintringen ligga över smältpunktstemperaturen för det pulverämne som har lägst smältpunkt. Så är till exempel fallet om ett ämne med lägre smältpunkt har lagts till i
På grund av diffusionen och sammanfogningen som sintringen orsakat så ökar normalt den behandlade artikelns densitet. Densitetsökningen medför att artikelns volym minskar, eftersom inget ytterligare stoff tillförs artikeln. En sådan volymminskning kan leda till felaktig komponentstorlek med bland annat felpassning som följd. Därför är det viktigt att uppnå hög densitet redan till green compact‐stadiet, för att undvika för stora volymförändringar och att även beräkna hur pass stora volymförändringar som sintringen kan orsaka, för att kunna kompensera för volymförändringen vid valet av press‐ och sinterformsstorlek. Särskilt viktigt är det att uppnå en homogen densitet under pressningssteget, då den annars riskerar att deformeras ifall volymen förändras olika mycket i olika delar av den. Vid en jämn densitet och en homogen spridning av eventuella legeringselement förändras artikelns storlek med samma proportioner över hela dess massa under sintringen, eftersom sintringstemperaturen då påverkar alla delar av artikeln lika mycket. Detta gör att det fortfarande går att förutsäga en artikels utseende efter sintringen.
2.3.3.1. Pulvergjutning
En variant av det ovan beskrivna sinterförfarandet är Powder Forging‐tekniken, eller pulvergjutning. Den bygger på en kombination av sintring och formgjutning och är kapabel att skapa artiklar med maximal densitet, svårpressade former och hög
dimensionell noggrannhet vid massproduktion.31 Av denna anledning krävs väldigt
sällan ytterligare efterbehandling av artiklar som tillverkats med denna teknik. Tillverkning med pulvergjutning inleds med att den önskade pulversammansättningen sammanpressas till en artikel vars form är en förenklad variant av den önskade formen på slutresultatet. Efter pressningen sintras artikeln med en temperatur under smältpunkten för pulvrets basmetall. Detta ger upphov till metallurgiska bindningar
mellan pulverpartiklarna, vilket ökar artikelns hållfasthet.32 Därefter placeras artikeln i
en gjutningspress som genom pressning och upphettning ger artikeln sin slutform. Detta förfarande orsakar tillräckligt mycket deformation för att ge slutartikeln en densitet som ligger väldigt nära densiteten hos solid metall, och artikeln får därför sådana mekaniska egenskaper så att den kan hållfasthetsmässigt kan mäta sig med artiklar som gjutits ur solida metallstycken.33 Dock finns vissa begränsningar av vilka legeringsmaterial som
kan användas i pulvret när denna teknik används, vilket gör att tillverkare kan tvingas välja dyrare legeringselement än om andra tillverkningstekniker skulle ha använts. För att tillverkningsprocessen ska vara lönsam krävs också vanligtvis stora produktvolymer för att finansiera utrustning och underhåll.34
2.3.4. Efterbehandling
Ytterligare behandling efter sintring är ofta nödvändig för att en artikel ska kunna
uppnå den hållfasthet eller geometri som eftersträvas. Flera olika
efterbehandlingsmetoder kan kombineras för att uppnå de densitets‐ och hållfasthetsnivåer som artikeln behöver ha. Nedan följer en närmare beskrivning av fyra olika efterbehandlingstekniker som kan användas på pulvermetallurgiskt tillverkade artiklar. 2.3.4.1. Återpressning Att även efter sintringen pressa artikeln i en form är en bra metod för att förbättra både hållfasthet i form av ökad densitet och även för att åtgärda måttfel. Denna metod kallas för återpressning (Re‐pressing). Vid denna andra sammanpressning används vanligtvis en speciell pressform som är anpassad till artikelns form efter sintringen, men om det rör sig om artiklar där de oönskade dimensionella förändringarna ligger på noll eller
väldigt nära noll går det även bra att använda samma form som användes innan sintringen. Vid fall där en artikels hållfasthet måste vara maximal används återpressning i första hand som ett sätt att uppnå maximal hållfasthet. För att åstadkomma artiklar med ännu bättre dimensionell noggrannhet kan metoden varm isostatisk pressning användas efter sintringen.35 2.3.4.2. Ytförtätning Figur 8: En pressningsmaskin för ytförtätning av kugghjul. Det mindre kugghjulet i bildens mitt är det som bearbetas.36 Figur 9: Förstoring av en förtätad kuggflank i genomskärning. Bilden visar att porernas antal och storlek minskas kraftigt av den ytförtätande behandlingen. Den större bilden visar en inzoomning av ytan på kuggen i den mindre bilden37 För att öka densiteten lokalt i en sintrad artikel, särskilt när det gäller kuggarna på ett kugghjul, så är metoden ytförtätning (surface densification) att rekommendera. Genom att rulla ett sintrat kugghjul mot ett verktyg med motsvarande kuggar fast med en högre hårdhet ökas densiteten lokalt vid ytan på kuggarna på grund av den sammanpressning av porer som sker vid rullningen. Den utrustning som används till detta finns återgiven i figur 8. Resultatet av denna densitetsökning är en förbättrad utmattningsstyrka mot både kuggböjning och brott i kuggroten och ett förbättrat motstånd mot skador
orsakade av ytkontakt.38 Figur 9 tydliggör resultatet av en ytförtätad kugg. Den förtätade
kuggen uppvisar en drastisk densitetsökning orsakad av sammanpressningen och förminskning av porerna i ytan. 2.3.4.3. Porutfyllnad Att fylla ut en sintrad artikels porer med något medel är ytterligare ett sätt att öka dess hållfasthet. Utfyllnadsmedlet kan antingen vara en metall i smält form, eller ett organiskt ämne som till exempel olja. Är medlet en metall kallas metoden för infiltration och om det är ett organiskt ämne benämns det istället som impregnering. Vid infiltration är det viktigt att den tillförda metallen har en lägre smältpunkt än den metall eller legering som den sintrade artikeln består av. Det är inte nödvändigt att applicera ett tryck för att metallen ska spridas i och fylla upp artikelns porer, då en kapillärkraft uppstår som suger in den. Vid impregnering med olja eller annat organiskt ämne får man istället en artikel med självsmörjande egenskaper och bättre tryckbevarande egenskaper på grund av den ökade tätheten i materialet. De självsmörjande egenskaperna som artikeln erhåller är särskilt nyttiga för olika typer av axellager som behöver smörjning. Detta är
därför en vanlig efterbehandlingsmetod vid lagertillverkning. Maskinell behandling av sintrade artiklar underlättas även av denna typ av impregnering.39 2.3.4.4. Uppkolning En annan vanlig metod för ythärdning är uppkolning, eller carburization. Den används för att härda de flesta typer av metallföremål, även sintrade. Metoden bygger på att en artikels hållfasthet ökas genom en densitetsökning i artikelns yta, orsakad av en förhöjd kolhalt. Denna process har varit känd i flera tusen år och den utfördes ursprungligen genom att det järnstycke som önskades härdas placerades tillsammans med kol som sedan hettades upp. Denna process tog några timmar och ledde till en förhårdning i ytan. Nu för tiden sker denna process på ett annat sätt, genom att metallstycket som ska härdas placeras i en ugn, vilken är anpassad för att kunna genomföra härdningsprocesser, som innehåller en atmosfär med en speciell sammansättning av
olika ämnen. Genom att variera atmosfärssammansättningen kan
uppkolningsförfarandet optimeras och styras till att skapa ett ytlager med ett specifikt djup i den behandlade artikeln.40
Trots de goda formgivningsmöjligheter som finns vid produktion av PM‐artiklar finns det fortfarande begränsningar för vilka typer av geometrier som går att skapa på ett tillfredsställande sätt genom pressning. Därför är i vissa fall maskinell behandling efter sintringen vara nödvändigt, till exempel vid skapandet av transversala hål genom artikeln.41
3
Alternativa metoder för kugghjulstillverkning
Det finns ett flertal andra metoder för kugghjulstillverkning utöver pulvermetallurgi. I detta avsnitt beskrivs två av de viktigaste metoderna. Den generella fördelen med dessa metoder är att de ger upphov till artiklar med högre densitet än artiklar tillverkade enligt det pulvermetallurgiska förfarandet. Detta beror på den porfria materialstruktur som de nedan beskrivna metoderna åstadkommer. Dock förbrukar dessa metoder både mer energi och mer material än pulvermetallurgi, vilket leder till att de bidrar till högre
tillverkningskostnader.42 Även vid dessa tillverkningsmetoder går det att styra det
tillverkade kugghjulets slutliga egenskaper genom att variera stållegeringens komponenter.
3.1.
Kugghjulstillverkning genom maskinell behandling av smitt stål
Denna metod går i korta drag ut på att en ståltacka hettas upp till en temperatur nära dess smältpunkt. Denna tacka formges sedan genom maskinell behandling med hjälp av verktyg som hammare, press eller ringrullningsmaskin. För att sedan skapa mer komplexa former, som till exempel kuggar, krävs ytterligare maskinell behandling, som till exempel fräsning eller andra former av utskärning.43 En viktig konsekvens av den
bearbetning och den formningspåverkan som artikeln utsätts för är att materialet blir anisotropiskt, vilket innebär att direktionalitet uppstår i materialet. Med detta menas att det uppkommer något som kan liknas vid fibrer i materialet som leder till att hållfastheten skiljer sig åt i olika riktningar. Materialets styrka längs med fiberriktningen ökas, medans styrkan och hållbarheten i vinkelrät riktning mot
fiberriktningen försämras.44, 45 Figur 10 och figur 11 ger ett exempel på hur detta kan se
ut, både teoretiskt och ur verkligheten. Att anpassa bearbetningen av en komponent så att den direktionalitet som uppstår är riktad så att komponenten får en optimal anpassning för de belastningar som den kommer utsättas för är därför väldigt viktigt. Beroende på hur kugghjulen tillverkats kan direktionaliteten uppstå på olika sätt och kugghjul tillverkade av samma råmaterial kan därför prestera olika i en viss applikation. Figur 10: Teoretisk bild av hur direktionalitetsfibrer i ett föremål av bearbetat smitt stål kan vara riktade.46 Figur 11: Fiberflöde och direktionalitet i en smidd krankrok. 47
3.2.
Kugghjulstillverkning genom formgjutning av stål
Kugghjulstillverkning genom gjutningsteknik är till en början väldigt lik smidesmetoden. Även här används en smält stållegering med olika sammansättning beroende på vilka egenskaper den färdiga artikeln ska ha. Det smälta stålet formges genom att det tillåts stelna i en gjutform. Vid tillverkning med hjälp av formgjutning bildas heller ingen direktionalitet i materialet, vilket innebär att de mekaniska egenskaperna är lika oavsett vilken riktning en belastning verkar ifrån. Den gjutform som används kan till exempel vara en återanvändbar metallform, eller en sandform som förkastas efter användning. Tillverkning med hjälp av en metallform ger kugghjul med relativt sett välbehandlad och slät yta och relativt god dimensionell noggrannhet medans däremot tillverkningskostnaderna är relativt höga, eftersom metallformen är jämförelsevis dyr att tillverka. Denna metod lämpar sig därför väl för större volymer.48 Metoden med
sandform sker däremot genom att sand formas enligt den önskade kugghjulsformen. Den blandas med ämnen som gör att det håller samman under den tid det tar för stålet att stelna. Detta innebär att det genom användning av denna metod går att skapa artklar med mer komplexa geometrier utan att behöva genomföra någon ytterligare behandling. Sandformgjutna kugghjul kännetecknas av mindre släta ytor och sämre dimensionell noggrannhet, fast med lägre tillverkningskostnader, då sandformerna är relativt billiga att tillverka. Därför lämpar sig denna typ av tillverkning för kugghjul med lägre krav på
hållfasthet och noggrannhet och med mindre produktionsvolymer.49
4
Empiriska data
Efter denna ingående genomgång av den pulvermetallurgiska tillverkningsprocessen kommer den resterande delen av rapporten att fokusera på huruvida processen är lämplig som tillverkningsmetod för kugghjul med höga krav på hållfasthet och livslängd, såsom kraftöverförande kugghjul i lastbilars växellådor. Det finns väldigt många faktorer som påverkar graden av lämplighet, vilket gör att ett entydigt svar därför kan vara svårt att åstadkomma. Den datainsamling som genomförts utgörs av två delar. Den första delen bygger på genomgångar av tre fallstudier och den andra delen på en intervju genomförd med Erik Sandqvist, anställd på Scania.
De tre fallstudierna behandlar empiriska tester av PM‐kompononenter som har tillverkats på skilda sätt eller utsatts för olika sorters efterbehandlingsmetoder. Man testade bland annat komponenternas livslängd och hårdhet. De olika tillvägagångssätten jämfördes sedan med varandra utifrån testresultaten, för att avgöra vilken metod som ger bäst resultat Alla tre fallstudierna innefattar även tester av komponenter tillverkade av solitt stål. Resultaten av dessa tester fungerade som referensvärden och användes till att göra en jämförelse mellan de testade PM‐metoderna och de alternativa tillverkningsmetoder som finns. Valet av vilka fallstudier som togs i betraktande baserades på att deras resultat var relevanta för att kunna ta fram ett svar till den uppställda frågeställningen.
Intervjun med Erik Sandqvist syftade till att ytterligare undersöka lämpligheten i att använda PM‐teknologi för att tillverka till det redan nämnda användningsområdet. Ett delsyfte med intervjun var att särskilt belysa eventuella negativa sidor och nackdelar med teknologin, vilka skulle kunna göra den olämplig som tillverkningsmetod av kugghjul till det aktuella området.
4.1.
Fallstudie 1: High Performance Gears for Heavy Duty
Transmission
504.1.1. Syfte och metod Den första fallstudien är baserad på en undersökning gjord i Höganäs och Scanias regi. Undersökningen gick ut på att jämföra fyra kugghjulstillverkningstekniker, av vilka tre var PM‐tekniker och den fjärde en teknik som byggde på maskinell bearbetning, som betraktades som referensvärde. Jämförelsen skedde genom att ett kugghjul tillverkades med var och en av teknikerna, som tester sedan utfördes på. Det utvalda kugghjulet var ett planetkugghjul från en växellåda tillhörande en tung lastbil tillverkad av Scania. Se bilaga A‐1 för kugghjulens dimensioner. De fyra metoderna som undersöktes var följande: Konventionell pressning och sintring (1), Varmpressning och sintring (2), konventionell pressning, sintring och ytförtätning (3) (se avsnitt 2.3.4.2.) och maskinell behandling och utskärning ur solitt stål. Materialen skiljde sig åt mellan de olika metoderna. Se bilaga A‐2 och bilaga A‐3 för denna information.
Efter tillverkningen härdades alla fyra testkugghjulstyper genom uppkolning (carburization) för att ytterligare stärka kuggytorna. Målet var att skapa ett förstärkt ytskikt som sträckte sig 0.7‐1.2 mm in i materialet. Själva undersökningen gick ut på att analysera effekten av ythärdningen, utmattningstesta kuggrötterna (testet pågick under 2 miljoner arbetscykler) och undersöka eventuella kvarvarande spänningar orsakade av
4.1.2. Resultat
Resultaten återfinns i grafiskt format som bilagor.
Ythärdning (Bilaga A4)
Detta test mätte Vickers‐hårdheten som funktion av det härdade ytskiktets djup i mm. Resultatet visar att det konventionellt pressade kugghjulet (variant 1) blev genomhärdat eftersom hårdheten ligger på ungefär samma nivå över hela testdjupet. Det önskade härdningsdjupet överskreds alltså. Detta kugghjul hade en densitet på 7.01g/cm3. Det
varmpressade kugghjulets (variant 2) kurva påvisar däremot ett härdningsdjup på 1.1 mm, vilket låg inom den önskade utsträckningen. Densiteten för det varmpressade
kugghjulet hamnade på 7.44g/cm3. Dock är den maximala hårdheten märkbart lägre än
referensvärdet från stålet. För det sista PM‐kugghjulet, det ”surface densified” (variant 3) är ytdjupet på 1.2 mm, alltså även det inom de angivna specifikationerna. Densiteten för denna variant är 7.15g/cm3, fast hårdheten i ytan ligger dock över motsvarande
värde för referenskugghjulet.
Utmattningstest för kuggrötter (Bilaga A5)
Testet mätte spänningen som funktion av antalet arbetscykler. Ur resultatet för detta test går det att avläsa att det ytförtätade kugghjulen (variant 3) erhöll den högsta uthållighetsgränsen på 33 kN, vilket var lite över referenskugghjulets resultat, vilket var 31 kN. Uthållighetsgränsen för de två övriga kugghjulen kunde inte erhållas, då testcyklerna inte kunde slutföras. Man ser dock att varmpressning (variant 2) erhöll ett högre värde än det konventionellt pressade kugghjulet (variant 1), något som tros bero på den högre densiteten hos det tidigare kugghjulet.
Residuala spänningar (Bilaga A6)
I detta test mättes residuala spänningar som funktion av ytdjupet. Resultatet visar residuala spänningar vid kugghjulens ytor. Om den residuala spänningen har ett positivt värde utgör den en tryckspänning och omvänt så innebär ett negativt värde en sammanpressande dragspänning. Sammanpressande spänningar förbättrar motståndet
mot utmattning. För det konventionellt pressade kugghjulet (variant 1) uppkom endast
väldigt svaga sammanpressande spänningar tätt inpå ytan. Detta kan förklaras av den
jämna hårdheten som observerades i den första grafen. Hos både det varmpressade
kugghjulet (variant 2) och hos det ytförtätade kugghjulet (variant 3) förekom sammanpressande spänningar, vilka var störst hos variant 3. Hos stålreferensen uppkom istället en tryckande spänning precis vid ytan, som sedan snabbt övergick till att bli sammanpressande.
4.1.3. Diskussion och slutsats
Resultatet av utmattningstestet för den konventionellt pressade varianten var inte särskilt övertygande i jämförelse med de övriga resultaten. Detta tros i fallstudien bero delvis på avsaknaden av residuala spänningar men också på låg ythårdhet och på en relativt sett låg densitet. Det varmpressade kugghjulet uppvisade ett bättre resultat vid utmattningstestet, något som tillskrivs en högre densitet och residuala sammanpressande spänningar i ytan. Dess hållfasthet tros kunna förbättras om ythårdheten kunde öka ytterligare, till exempel genom användandet av ett värmebehandlingsförfarande bättre anpassat till det aktuella materialet. För det ytförtätade kugghjulet så noterades en ytdensitet på samma nivå som den hos
kugghjulet av solitt stål. Eftersom den högsta spänningen på ett belastat kugghjul återfinns i den belastade kuggens yta så kan alltså kugghjulets kapacitet ökas ytterligare genom att höja densiteten i och precis innanför ytan. En sådan densitetshöjning minskar antalet porer i ytan, vilket bidrar till att öka kugghjulets hållbarhet eftersom sprickor och brott har lättare att uppstå i ojämnheter. Av dessa anledningar visade det ytförtätade kugghjulet upp ett bättre testresultat jämfört med de andra PM‐metoderna. Resultatet av testerna visar alltså att en artikel med lägre inre densitet men vars yta har förtätats (variant 3) kan utstå ett större antal belastningscykler än en artikel med en högre inre densitet som är homogen över hela artikeln.
En sammanfattad slutsats för fallstudie 1 är alltså att kombinationen av bearbetningsmetoderna ythärdning och ytförtätning på PM‐kugghjul ger upphov till en artikel med mekaniska egenskaper motsvarande de hos kugghjul tillverkade av smitt stål.
4.2.
Fallstudie 2: Bending Fatigue of Surface Densified Gears
514.2.1. Syfte och metod
Denna studie gick ut på att testa hur skador på kugghjul utvecklas genom att undersöka böjutmattningsgränsen och hur man kan påverka denna gräns genom att variera ytförtätningsdjupet. Syftet var att ta reda på huruvida ny utveckling inom ytförtätning kan göra det möjligt att till växellådor inom fordonsindustrin ersätta smidda kugghjul med ytförtätade PM‐kugghjul. Test utfördes på två kugghjul tillverkade av metallpulvret DM‐222 enligt konventionell PM‐teknik med efterföljande ytförtätningsbehandling (Variant 1 och 2) och på ett kugghjul tillverkat av stållegeringen AISI 8620, som sedan formades maskinell bearbetning (Variant 3). Testresultaten för detta kugghjul utgjorde referensvärden för testet. För närmare materialspecifikationer, se bilaga B‐1. Alla kugghjulen härdades ytterligare efter tillverkning genom härdningsbehandling, med målet att skapa ett härdat skikt på 0.6 till 0.8 mm. Behandlingstiden var samma för alla
tre varianterna. De tillverkade kugghjulens geometri finns återgiven i bilaga B‐2.
PM‐kugghjulen ytförtätades så att det ena (Variant 1) erhöll en djupare förtätning (>0.20 mm) och det andra (Variant 2) en grundare (<0.10 mm). Två tester genomfördes. Vid det första testades en enskild kugg genom att den utsattes för ett konstant tryck. Vid det andra sattes två kugghjul i ingrepp, vardera påverkade av ett konstant vridmoment. I båda fallen stoppades testet efter 107 cykler och det ansågs vara lyckat om den testade kuggen inte hade brustit. 4.2.2. Resultat Genom kvantitativ bildanalys av resultatet av ytförtätningen erhölls att kugghjulet med djupare förtätning (Variant 1) erhåller en ytdensitet på precis över 7.8 g/cm3, medan
ytdensiteten för kugghjulet med grundare förtätning (Variant 2) hamnar på cirka 7.7
g/cm3. Densiteten sjunker sedan längre in i materialet. Resultatet är illustrerat i bilaga B‐3. Både yttförtätningen och ythärdningen bidrog till en förhöjd ythårdhet, i samband med densitetsökningen. Detta gav i sin tur upphov till residuala spänningar. Med hjälp av röntgendiffraktion kunde dessa spänningar i kuggroten uppmätas. Resultatet finns i bilaga B‐4. Både PM‐kugghjulen och referenskugghjulet uppvisar likartade och kraftigt sammanpressande residuala spänningar precis under ytan.
Utmattningsgräns för enskild kugg (Bilaga B5)
Resultatet av det första testet visar att utmattningsgränsen för en enskild kugg på kugghjulet med djup surface densification (Variant 1) till stor del liknar gränsen hos referenskugghjulet. Båda varianternas maximala utmattningsspänning sjunker i takt med att antalet cykler ökar. Dock planar spänningskurvorna ut runt 1100 MPa och båda
varianterna nådde avbrytningsgränsen på 107 cykler kring detta värde.
Utmattningsgräns för kuggar i ingrepp
Tester utfördes genom att två kugghjul sattes i ingrepp med varandra och drevs mot varandra med ett bestämt vridmoment. De kombinationer som testades var det djupt ytförtätade kugghjulet mot referenskugghjulet och det djupt mot det grunt ytförtätade kugghjulet. Resultatet av den första jämförelsen visar ett svagt övertag för referenskugghjulet. Vid en böjspänning strax under 1,000 MPa hade det ytförtätade kugghjulet ändå en livslängd på över 10 miljoner cykler. Detta finns återgivet i bilaga B‐ 6. Vid jämförelse mellan resultatet för de två PM‐kugghjulen framkommer att kugghjulets förmåga att ta upp last försämras vid alla testade vridmoment när djupet som är ytförtätat minskas. Detta är illustrerat i bilaga B‐7.
4.2.3. Diskussion och slutsats
Enligt resultatet kan PM‐kugghjul med större förtätningsdjup (> 200 µm) uppnå en utmattningsgräns som närmar sig den för härdat smitt stål AISI 8620 vid spänningar på drygt 1000 MPa. Däremot tydliggjordes att kugghjul med grundare ytförtätning (< 100 µm) inte klarar av den sortens belastning. Som slutsats av resultatet av denna fallstudie dras att det är möjligt att öka utmattningsgränsen för böjspänning hos ytförtätade PM‐ kugghjul genom att välja ett större förtätningsdjup. 4.3.
Fallstudie 3: Rolling Contact Fatigue Performance Contrasting
Surface Densified, Powder Forged, and Wrought Materials
524.3.1. Syfte och metod Den tredje fallstudien byggde även den på att undersöka och utvärdera lämpligheten i att använda kugghjul tillverkade med PM‐teknik till växellådor inom fordonsindustrin. Syftet var att undersöka hur utmattningsgränsen för material som PM‐kugghjul tillverkas av ändrades beroende på belastningen och sedan se hur detta resultat förhöll sig till utmattningsgränsen för smitt stål vid samma belastning. Ytterligare ett syfte var att jämföra olika ythärdningsmetoder och deras effekt på materialets livslängd.
Själva testet utfördes inte på kugghjul, utan testdetaljer tillverkades, på vilka sedan testerna utfördes. Eftersom testerna var utformade på ett annat sätt så utelämnas exakta resultat eftersom de inte är direkt jämförbara med resultaten från de två tidigare fallstudierna. Detaljerna tillverkades genom att en utvald pulvermix FLN2‐4405 pressades och sintrades. Hälften av detaljerna sintrades med en högre temperatur (1260 °C) och den andra hälften med en lägre temperatur (1120 °C). Sedan behandlades alla detaljerna enligt pulvergjutningsmetoden (Se avsnitt 2.3.3.1) för att ytterligare härda och forma dem. Därefter genomgick detaljerna en maskinell ytbehandling för att skapa en jämnare yta och slutligen genomgick de en härdningsprocess för att öka ytdensiteten och hållfastheten i detaljerna. Som referens tillverkades även föremål av smitt stål AISI 8620. Dessa detaljer genomgick samma härdningsprocess som alla PM‐ detaljen i testet, för att kunna avgöra vilken effekt denna process hade på de olika
materialens utmattningsgränser. De tillverkade detaljerna testades sedan för utmattningsgräns på grund av rullningskontakt, enligt standardiserade metoder. Hårdheten i materialen fastställdes även, genom prover utförda enligt Vickers‐ principen.
4.3.2. Resultat
För att kunna jämföra olika ythärdningsmetoder inkluderades även resultatet från en tidigare genomförd fallstudie. Båda studierna genomfördes på liknande sätt. I den tidigare studien undersöktes metoden ytförtätning både med och utan extra materialhärdning. Testdetaljerna till den undersökningen tillverkades genom normal pressning och sintring med efterföljande mekanisk ytförtätning. Pulverblandningen FLN2‐4405 användes även till dessa detaljer. Alla prover testades vid en högre (2500 MPa) och en lägre spänningsnivå (1900/2000 MPa). Utmattningstestets resultat redovisas i form av den livslängd som 50 procent av detaljerna uppnådde vid angiven belastning och återfinns i bilaga C‐1. De ytförtätade detaljerna är benämda SD och de som genomgått extra härdning är benämnda annealed i bilagan. Resultatet för detaljerna tillverkade av referensstål var cirka 20 miljoner cykler vid 2000 MPa och 4.2 miljoner cykler vid 2500 MPa. De detaljer som tillverkats med pulvergjutningstekniken fick för de båda testade sintringstemperaturerna ett resultat på 13 miljoner cykler vid 1900 MPa och 2.1 miljoner cykler vid 2500 MPa. De ytförtätade detaljerna fick relativt spridda resultat, av vilka det som sintrats vid en högre temperatur och genomgått ytterligare härdningsbehandling presterade bäst, med ett resultat på 19 miljoner cykler vid 1900 MPa men bara 1.7 miljoner cykler vid 2500 MPa.
Testdetaljen av smitt stål (AISI 8620) undersöktes även för att finna eventuell direktionalitet som kan ha uppkommit vid tillverkning. Tester som undersökte dess mekaniska egenskaper i både den huvudsakliga arbetsriktningen (longitudinell riktning) och i en riktning vinkelrät mot den longitudinella riktningen (transversal riktning) utfördes. I detta test framkom att en distinkt skillnad mellan dessa två riktningar fanns. De pulvermetallurgiskt tillverkade detaljerna uppvisar ingen inre direktionalitet, på grund av att de tillverkades under isotropiskt tryck. Resultaten för detta test finns i bilaga C‐2.
Tester av ythårdheten utfördes på den pulvergjutna testdetaljen och på detaljen av solitt stål. Båda testerna utfördes efter att detaljerna även härdats. Resultaten är redovisade i Vickers‐hårdhet. Testet av detaljen av solitt stål påvisade att det i detta material formats ett ytskikt med märkbart högre hårdhet än i detaljens inre och det fullständiga resultatet återfinns i bilaga C‐3. Testet av den pulvergjutna detaljen kunde däremot inte uppvisa någon sådan hårdhetsskillnad. Resultatet för detta test finns i bilaga C‐4 Detta
tros bero på att den pulvergjutna detaljen har genomhärdats.
4.3.3. Diskussion och slutsats
Vid en jämförelse mellan undersökningsresultatet för artiklarna som har tillverkats antingen enligt pulvergjutningsförfarandet (variant 1) eller med normal sintring och efterföljande ytförtätning och härdning (variant 2) framkommer att den senare av dessa två har en markant längre livslängd vid den lägre spänningen men en något kortare livslängd vid den högre spänningen. Detta indikerar att den senare av dessa två kan lämpa sig bättre för fall av höga spänningar och krav på lång livslängd. Dock överträffar ingen av de två varianterna resultatet för detaljen av smitt stål. Variant 2 närmar sig referensvärdet vid den lägre spänningen men när spänningen höjs ökar skillnaden. Den
