Slagseghet hos kalldragna sömlösa rör: Kartläggning av olika parametrars påverkan

(1)

Fakulteten för teknik och naturvetenskap Avdelning Maskin – och Materialteknik

Therese Doverholt

Slagseghet hos kalldragna sömlösa rör

Kartläggning av olika parametrars påverkan

Impact toughness of cold drawn seamless tubes

Survey of different influencing parameters

Materialteknik C-uppsats

(2)

SLAGSEGHET HOS KALLDRAGNA SÖMLÖSA RÖR

FÖRORD

Detta projektarbete görs som en del av Civilingenjörsprogrammet i maskin- och materialteknik vid Karlstads Universitet. Arbetet har utförts vid Structo Hydraulics AB under perioden 2007-01-22 – 2007-04-13.

Målet är att erhålla omslagskurvor för slagsegheten och utvärdera dessa vid olika tillstånd för stålet. Detta skall ge en uppfattning om den varierande slagsegheten och vilka de avgörande parametrarna hos kalldragna sömlösa rör är.

Jag vill tacka alla som har hjälpt till och bidragit på alla sätt, och speciellt vill jag tacka:

- Min handledare på Structo Hydraulics AB, Göran Larsson.

- Min examinator, Jens Bergström

- Per-Erik Andersson och Marko Mäkeläinen, Lab Structo Hydraulics AB - Kjell Eriksson och Maria Pilz, Lab Outokumpu, Storfors.

- Anna Persson, Karlstad Universitet, som varit till stor hjälp vid mikroskopering.

/Therese Doverholt

(3)

SAMMANFATTNING

Slagsegheten hos stål är komplext beroende av ett antal olika parametrar, som i olika grad påverkar varandra.

Många betydande och viktiga ledtrådar har hittats som förhoppningsvis kan ge en bredare förståelse varför slagsegheten varierar och varför den inte alltid uppnås i nuvarande process.

Studien har utförts på kalldragna sömlösa rör, med stålsort EN 10305-1. Projektet innefattar ett antal olika produkt specifikationer med olika dimensioner, med lite olika kemiska sammansättning. På grund av slagseghetskraven på industriella produkter var det viktigt att utvärdera vilka parametrar som påverkar. En utvärdering gjordes dels av resultat från slagseghetsprovning efter påverkande processer, och dels från utvärdering av stålets mikrostruktur.

Förutom dimension och kemisk sammansättning, varierar processlinjens faktorer.

Den första processen som påverkar är kalldragningen som i denna studie har haft

reduktioner mellan 15% och 31%. Avspänningsglödgningens temperatur påverkar även, där temperaturerna 525ôC, 575 ôC och 600 ôC är de som använts på produkterna i projektet. Vissa av projektets produkter har även normaliserats, och resultaten tyder på att detta är en mycket viktig process om man ser till slagseghet.

Målsättningen var att får fram omslagskurvor vid olika tillstånd av stålet. Utifrån dessa tillsammans med utvärdering av stålets mikrostruktur och kemisk sammansättning kunde flera diskussioner föras.

Den viktiga slutledningen som kunde dras var att inga faktorer är ensam avgörande för slagsegheten i den här studien. Den kemiska sammansättningen påverkar ihop med processlinjens olika faktorer. Man bör ligga på en temperatur för avspänningsglödgning över 550 ^oC. Projektet visar även på att större dimensioner påverkar slagsegheten negativt.

Två viktiga felmarginaler kan ha påverkat resultaten i projektet, dels positionen för vart anvisningen görs på provstaven i förhållande till rören och dels användandet av en praxis som beräknar resultat från provning med reducerade provstavar. En undersökning av dessa felmarginaler gjordes, och resultaten var tydliga. En mer noggrann

provuttagning bör göras, och man bör vara mer försiktig vid användandet av praxisen.

(4)

INNEHÅLL

Förord... II Sammanfattning ... II Innehåll ... III

1 Inledning... 1

1.1 Bakgrund... 1

1.2 Problembeskrivning... 1

1.3 Syfte ... 1

1.4 Mål ... 1

1.5 Företagsbeskrivning... 2

1.6 Produktions- och processbeskrivning... 2

1.7 Slagseghet ... 6

1.8 Påverkande faktorer ... 7

1.9 Omslagstemperatur (Ductile Brittle Transition Temperature, DBTT). 8 1.10 Stålet och dess kemiska sammansättning ... 12

2 Genomförande ... 14

2.1 Metod ... 14

2.1.1Avgränsningar ... 15

2.2 Provade artiklar (produktspecifikationer)... 15

2.3 Provberedning Slagprovning ... 17

2.4 Provberedning Dragprovning ... 18

2.5 Praxis för reducerade provstavar ... 19

2.6 Provberedning mikroskopbedömning inneslutningar ... 20

2.7 Provberedning mikroskopbedömning kornstorlek ... 21

3 Resultat... 22

3.1 Slagprovning... 22

3.2 Omvandlingstemperaturer, DBTT... 23

3.3 Dragprovning... 24

3.4 Bedömning Inneslutningar ... 25

3.5 Bedömning kornstorlek ... 26

(5)

3.8 Jämförelse position för anvisning... 29

4 Diskussion ... 30

5 Slutsatser ... 39

6 Källförteckning... 40

Appendix

1. Kemisk sammansättning hos provade artiklar.

2. Slagseghet, omvandlingsområde och omslagstemperatur för provade artiklar (produktspecifikationer):

2.1. VCE075 2.2. VAE081 2.3. VCE100 2.4. VCE127 2.5. VCE162 2.6. VCE182 2.7. VAE202 2.8. LIX081 2.9. LIX100 2.10. LIX127 2.11. LIX162 2.12. LIX182 2.13. LIX202

3. Resultat slagseghet med procentuella skillnader.

4. Diagram. Jämförelse ämnen och jämförelse färdigställning.

5. Resultat Mekaniska egenskaper med procentuella skillnader.

6. Omslagstemperatur, DBTT beroende av kemisk sammansättning med extremfall.

7. Praxis för reducerade provstavar; utdrag ur Standard EN 10216-3 8. Mikrostruktur. Bilder från Mikroskopering.

9. Brottutseende. Bilder på brottytor hos provade artiklar.

10. Inneslutningar. Bilder från mikroskopering.

(6)

1 Inledning

1.1 Bakgrund

Nya krav på industriella produkter i Europa innebär bland annat att krav på en hög slagseghet måste erhållas på kalldragna rör i framtiden. Det stål Structo Hydaulics AB använder sig av för dessa produkter är EN 10305-1, som är i ett varmvalsat tillstånd innan rören går in i processlinjen på Structo. De produceras i ett antal olika

dimensioner, och har efter produktion följande mekaniska egenskaper: sträckgräns minimum 525 MPa, brottgräns minimum 600 MPa och en brottförlängning på minst 15%. Standardkravet på slagseghet är 27 J vid slagseghetsprovning i -20^oC, vilket innebär att materialet ska hålla för en hastig last på 27 J vid -20^oC. Structo levererar idag dessa produkter i begränsad omfattning beroende på att detta krav inte alltid kan uppfyllas i nuvarande process.

1.2 Problembeskrivning

På grund av kraven på slagseghet är det nödvändigt att utvärdera de parametrar som påverkar. Dessa parametrar är främst mikrostruktur, kemisk sammansättning

(framförallt svavelhalt), och temperatur för avspänningsglödgning.

Utvärdering genomförs på sömlösa kalldragna rör framtagna enligt en normal processväg, och slagseghetens förändring iakttas efter varje process i produktionen.

1.3 Syfte

Projektets syfte är delvis att Structo Hydraulics AB skall kunna kan använda sig av de resultat som projektet alstrar, men även att fördjupa kunskapen om slagseghet och dess deformationsmekanismer.

1.4 Mål

Uppsatsens mål är att kunna redovisa omslagskurvor för olika tillstånd hos materialet. Dessutom ska en utvärdering visa hur materialets mikrostruktur samt provernas brottstruktur påverkar produkternas slagseghet vid leverans.

(7)

1.5 Företagsbeskrivning

I Storfors i Östra Värmland har man en över 400 år gammal erfarenhet av järn och stål, den första rörtillverkningen började redan 1592. År 1866 bildades Storfors Bruk AB, och i slutet av 1890-talet anlade man det första rördrageriet i Sverige. Redan då var detta en lyckad investering med export till exempelvis Ryssland. 1918 tog Uddeholm över verken i Storfors. Verksamheterna delades upp 1984 i tre företag, där Structo DOM Europé AB var ett av dem. År 1992 bildades Structo AB och man var då inriktade mest på kalldragna och skalade rullpolerade rör.

Structo Hydraulics AB är idag marknadsledande i Europa på produkter till

hydraulikindustrin. Produkterna består av kalldragna sömlösa rör, kalldragna svetsade rör, skalade rullpolerade cylinderrör, kallformade rör och komponenter. På företaget finns nu ca 160 anställda.

Ungefär tre fjärdedelar av produkterna går på export och denna är främst till Europa, till länder som Tyskland, Frankrike, England, Irland och Belgien. Kunderna är främst tillverkare av entreprenadmaskiner och tillverkare av hydrulikcylindrar, exempel på kunder är Caterpillar och Volvo.

1.6 Produktions- och processbeskrivning

Material för produktionen har ett flertal olika leverantörer; Ovako Steel AB (Hofors), Vallourec & Mannesmann (med verk i både Mülheim, Tyskland och Saint Saulve, Frankrike), ISMT Limited (Baramati, Indien) samt några andra leverantörer (de namngivna är de leverantörer vilkas material testats i detta projekt). Den normala processvägen för kalldragna sömlösa rör kan beskrivas enligt följande:

Uttag

Normalisering Slaggriktning Betning Kallspetsning

Kalldragning Avspännings- glödgning

Färdig- ställning

Figur 1. Flödesschema: Processvägen för kalldragna sömlösa rör.

(8)

Normalisering är en värmebehandlingsprocess som görs för att erhålla en mer finkornig struktur. Ett grovkornigt stål som genomgår normalisering får en struktur med mindre korn, finare kristallstruktur och därmed blir materialet segare vilket till exempel ger en ökad slagseghet. Materialet får även en högre hållfasthet.

Genom bearbetning när stålet produceras, i detta fall valsas, värms materialet till en temperatur ovanför undre gränsen för austenitområdet, och austenitkornen blir väldigt grova. När materialet svalnar så bildas en grov struktur av perlit och ferrit. Denna grova struktur är normalt inte önskad, då slagseghet och hållfasthet är relativt dålig.

Normaliseringen sker genom att stålet värms upp till en temperatur motsvarande härdningstemperaturen, i detta fall 900^oC, där hålls det under 1-2 timmar och det bildas då små austenitkorn. Stålet får sedan svalna i luft och ferrit utskiljs ur austenitkornen, och efter detta utskiljs även perlit. Stålet har alltså en finkornig struktur av perlit och ferrit efter normalisering.

Slaggriktning utförs i riktmaskin, men syftet är inte att får röret rakt utan att bryta bort slagg från ytan.

Betning kallas den process där man löser och avlägsnar oxider och ytföroreningar från valsning och värmebehandling med hjälp av svavelsyra. Detta är en förbehandling främst för kalldragningen, då en finare yta ger mindre friktion i dragbänken. Materialet (ämnena) får ligga utomhus och korrodera efter leverans för att underlätta betningsprocessen. Då rören rostat och fått ett hydrooxidskikt, sker en lättare reaktion med svavelsyran. Betning är en behandling som också rengör svetsfogar, men detta är inte relevant då projektet endast involverar sömlösa produkter.

Slaggriktningen och betningen påverkar i princip inte provning av slagsegheten i den här studien, då dessa förbättrar ytan av rören, och provuttag görs inte vid ytan av rören.

Kallspetsning är den process som förbereder rören inför dragning. Genom att forma ena röränden så kan röret fästas i backarna i dragbänken.

(9)

I Kalldragningen träs röret på en stång med en dragplugg, och den spetsade änden av röret fästes i tångvagnens gripbackar. Tångvagnen drar sedan röret genom en dragskiva för att få den önskade tvärsektionen och godstjockleken. Se Figur 2. Storlek på dragskiva bestämmer ytterdiameter, medan dragpluggens storlek bestämmer innerdiameter. Förutom önskad dimension, så erhålls även ökade mekaniska egenskaper samt en finare yta. I och med denna process försämras slagsegheten beroende på reduktionen. Större reduktion ger en ökad dislokationstäthet i mikrostrukturen, som i sin tur ger en ökad hållfasthet med minskad duktilitet och minskad slagseghet.

Varmvalsat rör

Dragskiva

Tångvagnens backar griper tag i den spetsade röränden

Dragplugg Stång för dragpluggen

Reducerad diameter och godstjocklek

Figur 2. Dragbänksprocessen.

(10)

Avspänningsglödgning är en värmebehandling som utförs med avsikt att minska de negativa effekter som kallbearbetning medför. En negativ effekt är utvecklandet av inre spänningar, dessa inhomogena inre spänningar består av såväl drag- och

tryckspänningar i olika delar av rören. En annan negativ effekt är den ökade dislokationstätheten. Dessa medför en minskning i slagseghet och en ökning i mekaniska egenskaper. Man får alltså ett relativt hårt material efter kalldragningen.

Avspänningsglödgning är en process som görs för att materialet ska genomgå återhämtning av dislokationsstrukturern, med en minskad dislokationstäthet.

Stålet värms till en temperatur som ligger under A1. Structo Hydraulics produkter avspänningsglödgas normalt i temperaturerna 525ôC, 575ôC eller 600ôC, beroende på rörens reduktion och kraven för mekaniska egenskaper. Tiden för hur länge stålet värmebehandlas beror på godstjockleken på rören, med kortaste tid på ca. 45 minuter och längsta tid på ca. 2 timmar och 20 minuter. Stålet för sedan svalna i luft.

Den vanliga kallbearbetade strukturen består av ett stort antal oordnade dislokationer.

När man värmer stålet så tillåter den tillagda termiska energin att dislokationerna i stålet kan röra sig och bilda gränser av en ”subgrained” struktur . När detta sker så reduceras eller elimineras de inre spänningarna. Då densiteten av dislokationer i stort inte ändras, kommer de mekaniska egenskaperna hos materialet vara någotsånär likadana som innan processen, förmodligen lite lägre.

Figur 3. Temperaturer för olika värmebehandlingar.

[Karleboserien 16. (1985) Stål och värmebehandling.

(11)

I de sista processerna, färdigställningsprocesserna, sker en riktning av rören, mätning, ultraljudsprovning, kapning och vissa produkter rostskyddsbehandlas.

Riktningen av rören är den process som kan påverka slagsegheten, då denna process medför en kalldeformation av materialet som ger en ökad inhomogen dislokationstäthet, som i sin tur ger inre spänningar i materialet.

Vissa produkter bearbetas ytterligare med skalning/rullpolering (bearbetar rörens inneryta, t.ex. hydraulikprodukterna), kallformning, svetsning och svarvning.

Förstörande provning av materialet sker i företagets laboratorium, där produkterna främst drag- och slagprovas. Andra kundanpassade prover som utförs är

utvidgningprov, plattningsprov, hårdhetsprov (Brinell och Rockwell) ringdragsprov och ringvidgningsprov.

1.7 Slagseghet

En tung pendelhejare, w svänger genom sin båge, med start vid höjd h1, träffar och slår av en provstav, och når en lägre slutlig höjd h2. Se figur 4. Ur dessa två höjder kan skillnaden i potentiell energi uträknas. Denna energi är den energi som provbiten absorberar under bristning, ty lagen för bevarande av energin. Slagsegheten är alltså det arbete (den förbrukade energin) som krävs för att slå av provstaven. ”Slagseghet är ett mått på materialets förmåga att motstå slag utan att brista”.

Figur 4. Illustration av slagprovning.

[Hertzberg, Richard W. (1996) Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials. Uppl. 4.]

(12)

1.8 Påverkande faktorer

De faktorer som kan påverka slagseghet, och som undersöks i projektet är följande:

• Kemisk sammansättning, med vikt på följande legeringselement:

o C, Kol o S, Svavel o Mn, Mangan o Mo, Molybden o V, Vanadin

• Mikrostruktur inklusive kornstorlek och inneslutningar.

• Dimension, leverantör och valsningsmetod.

• Processernas olika faktorer:

o Normalisering

o Reduktion i kalldragning

o Temperatur för avspänningsglödgning

(13)

Omvandlingsområde

Sprött brott

Segt brott

KV (J)

Temperatur ( ^oC) Diagram 1. Slagseghet beroende av temperatur.

1.9 Omslagstemperatur (Ductile Brittle Transition Temperature, DBTT)

Slagsegheten hos ett material är temperaturberoende, och minskar med minskande temperatur. Ur slagseghetskurvan kan ett speciellt område utskiljas, nämligen omvandlingsområdet. Detta område visar vid vilken temperatur materialet går från att vara segt till sprött. Vid högre temperaturer ter sig slagsegheten vara konstant, vilket visar på att materialet vid dessa temperaturer är segt. Samma teori gäller för låga temperaturer som visar på spröda brott. Diagram 1 nedan visar hur slagsegheten teoretiskt beror av temperaturen. På de flesta produkter inom stålindustrin vill man ha så sega material som möjligt, samtidigt som man håller kraven på mekaniska egenskaper.

Det är alltså önskat att ha ett omvandlingsområde så långt till vänster i diagrammet som är möjligt, alltså vid så låga temperaturer som är möjligt.

Ur omvandlingsområdet kan en särskild temperatur, varvid materialet ändras från att vara segt till att vara sprött, bestämmas. Denna temperatur är omvandlingstemperaturen för materialet och betecknas DBTT (Ductile Brittle Transition Temperature). Då ett segare material som sagt är mer önskvärt än ett sprött vill man självklart att

omvandlingstemperaturen är så låg som möjligt. Denna temperatur kan bestämmas genom ett antal olika metoder. Vanligtvis måste man ta hänsyn till olika kriterier då slagsegheten inte ändras diskontinuerligt.

Information som kan beaktas är:

• Absorberad energi under slagseghetsprovningen. Alltså det av maskinen uppmätta värdet på slagseghet.

(14)

1.9.1 Absorberad energi

Det av maskinen uppmätta värdet ger ett värde på den energi som krävs för att få materialet att brista. Detta är det värde som idag industriellt används för att testa slagseghet, men det ger bara en antydan av hur brottmekanismen för slagseghet egentligen fungerar. Standardkraven idag ligger på 27J vid -20^oC för

standardprovstavar.

Omvandlingstemperaturen kan fås genom slagseghetskurvan för ett antal provningar vid ett antal olika temperaturer.

Omvandlingstemperaturen i föreliggande studie definieras enligt följande:

) (KV₅₀_% T

DBTT =

% 2

50

MIN

MAX KV

KV KV +

=

Diagram 2. Beskrivning av Definition DBTT

KV50%

KV_MIN KV_MAX

KV, (J)

Temperatur,( ^oC)

DBTT

(15)

1.9.2 Brottytans utseende

För att få en uppfattning om omslagstemperaturen kan man förutom att titta på de slagseghetsvärden som slagprovningen ger, även titta på hur brottet ser ut. Detta kan göras genom två metoder, antingen så tittar man på brottytan i elektronmikroskop, eller så görs en uppskattning genom visuell bedömning.

Vad man först och främst kan titta på med blotta ögat är hur brottytan ser ut, och avgöra huruvida brottet ter sig att vara segt eller sprött.

Ett sprött utseende har en glittrig kristallin yta, och är i stort sett odeformerad om man ser till provets yta och kanter. Se Figur 5 för ett tydligt exempel. Ett segt brott å andra sidan har en mer deformerad yta, ibland lite gropig, och även provbitens bredd och höjd i anslutning till brottytan kan ha en deformation. Exempel på segt brott i Figur 6.

Ett annat sätt att analysera brottytor är att titta på så kallade skjuvläppar (shear lip), som på ett sätt är en vidare analys av ovannämnda teori. Skjuvläppar bestämmer hur stor procentuell del av brottytan som innehar ett utseende för segt brott. Antingen kan man använda nedanstående formel för beräkning av skjuvläppar, eller så kan dessa approximeras genom jämförelse med t.ex. ASTM Designation: E23 – 93a. Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. (Figure 15).

% − ⋅100

= AB

xy lip AB

shear

Figur 5. Exempel sprött brott. VCE075

Ämne, slagprovat vid -60^oC Figur 6. Exempel segt brott. LIX127 Ämne, slagprovat vid 20^oC

(16)

1.9.3 Lateral Expansion

Lateral Expansion är ett mått på provstavens deformation i sidled. Som med de andra metoderna visar även denna på en omslagskurva. Måttet kommer visa på små deformationer vid låga temperaturer, samt högre deformationer vid högre temperaturer.

Detta är mycket svårt att mäta, då felmarginalerna är stora vid visuell mätning, och det finns idag speciell teknik och mjukvara för både denna mätning och även för mätning av skjuvläppar.

Figur 8. Metod för beräkning av lateral expansion.

[ASTM Designation: E 23 – 93a, Standard Test Methods for Notched Bar ImpactTesting of Metallic Materials.]

(17)

1.10 Stålet och dess kemiska sammansättning

Den kemiska sammansättningen i stålet påverkar självklart stålets egenskaper. Det stål som detta projekt har utförts på är STR525 (Structos beteckning), EN 10305-1. Det har en struktur av ferrit och perlit, med lite varierande kemisk sammansättning.

Gränserna för legeringarna som finns med i detta stål och några av deras egenskaper är;

• C – kol 0,15-0,20 %

Kolhalten i stål ökar draghållfastheten och hårdheten stiger. Men den sänker duktiliteten, maskinbearbetningförmågan och segheten.

• S – svavel 0,010-0,035%

Svavel har en stor anknytning till mangan, och tillsammans bildar de mangan sulfider, MnS. Dessa har en negativ påverkan på slagsegheten, speciellt i rörens tvärriktning. Svavelhalten bestämmer vanligtvis mängden sulfider i stålet.

Svavlet har en positiv inverkan på skärbarheten, och det är delvis därför denna legering finns närvarande i detta stål.

• Si – kisel 0,15-0,50 %

Kisel ökar stålets hållfasthet, och kan tillsammans med andra passande legeringar även öka segheten.

• Mn –Mangan 1,25-1,60 %

Mangan är en annan legering som ökar hållfastheten och hårdheten och även förbättrar härdbarheten. Som redan nämnts binder mangan effektivt svavel i stålet som inneslutningen Mangansulfid, MnS. Inneslutningen är mycket vanligt förekommande i olika mängder. Mangansulfiderna är ljusgråa och mycket mjuka. Det är därför mycket trovärdigt att Mangan tillsammans med svavel minskar slagsegheten, och därmed ökar omvandlingstemperaturen. Sulfider har även goda egenskaper, som till exempel en förbättrad skärbarhet.

• Ni –Nickel 0,0-0,3 %

Nickel förbättrar hårdhet utan att minska segheten hos materialet. Denna legering förbättrar härdbarheten.

• Cr –Krom 0,0-0,3 %

Krom påverkar många egenskaper positivt; hårdhet, seghet, slitstyrka, korrosionsmotstånd och ger en förbättrad härdbarhet.

• Mo –Molybden 0,0-0,1 %

Molybden är känt för att gynna bildandet av en finkornig struktur. Minskar hastigheten för svalning och förbättrar hårdhet och seghet i stålet. Även Molybden är en legering som ökar härdbarheten.

• Cu –Koppar 0,0-0,3 %

Koppar tillsätts ofta för att öka stålets motstånd mot atmosfärisk korrosion.

• Al –Aluminium 0,015-0,05 %

(18)

• Nb/Cb –Niob/Columbium 0,00-0,05%

Kan sänka DBTT en aning och hjälper till att bilda en finkornig struktur.

• N – Kväve 0,00-0,014 %

Denna legering är vanligtvis ej önskad i stål med en ferritisk perlitisk struktur, då den förekommer som en parasit och kan minska seghet genom utskiljning.

• P –Fosfor 0,000-0,035 %

Fosfor kan göra stålet sprött vid normal temperatur.

• Sn –Tenn 0,00-0,08 %

• Ti –Titan 0-36 PPM

• Ca – Kalcium 0,00-0,0019 %

• 1003 – 0,00-0,41 %

Kolekvivalent är max 0,52 för undersökta ståltyper. Mingränserna för mekaniska egenskaper på färdigställda produkter är:

- Sträckgräns Rp0.2min 525 MPa - Brottgräns Rm_min 600 MPa - Brottförlängning A_min 15%

Slagsegheten för detta stål är varierad och beror förutom på legeringselementen även på produkternas dimensioner och på de olika processerna.

Förteckning över de kemiska sammansättningarna för provade artiklar i projektet finnes i Appendix 1.

(19)

2 Genomförande

Projektet omfattar en av de fem produkterna som tillverkas vid Structo, nämligen kalldragna sömlösa rör, och genomförs på produkter tillverkade enligt normal processväg där slagseghetens förändring följs i processtegen.

Undersökningen omfattade i planeringen 3 olika tillverkningsposter men utökas under projektets gång.

Handledare från Karlstad Universitet är professor Jens Bergström, och handledare hos företaget är Göran Larsson, kvalitetschef.

2.1 Metod

Ett antal artiklar (produktspecifikationer) med olika dimensioner och chargenummer (olika kemisk sammansättning) slagprovas. Artiklarna dragprovas även för att erhålla de mekaniska egenskaperna hos materialet.

Artiklarna som provas har gått lika processväg förutom en stor skillnad, nästan hälften av de provade artiklarna är normaliserade (LIXxxx) Hälften har haft en processväg utan normalisering, varvid två olika sorters artiklar används; VCExxx och VAExxx. Skillnaden på de två är att VCExxx rören genomgår en invändig skalning och rullpolering. Denna skillnad kommer dock inte påverka materialet i sig då det endast är en ytbehandling.

De tre siffrorna, xxx, i artikelnamnen beskriver rörens dimension (till exempel;

LIX100 har en innerdiameter på 100 mm).

Slagproverna genomförs vid olika temperaturer för att sedan kunna visa resultat i form av omslagskurvor för de olika artiklarna. Provbitar av de provade materialen provbearbetas för att undersöka mikrostruktur, kornstorlek och inneslutningar.

En annan artikel, BAE150, avspänningsglödgas i laborationsugn, för att få en uppfattning om skillnaden mellan olika temperaturer för denna värmebehandling.

En undersökning av positionen av provstavarnas anvisning görs, för att se om detta kan vara en orsak till så stora varierande slagseghetsvärden.

Den praxis för beräkning av resultat från reducerade provstavar undersöks genom jämförelse av samma material med två provstavar med olika bredd.

(20)

2.1.1 Avgränsningar

Bestämning av kornstorlek och inneslutningar i materialet genomförs ej på alla provade artiklar och tillstånd på grund av tidsbrist. Istället förs en diskussion utifrån de resultat som fås av de undersökta proverna.

Av de tre tidigare beskrivna metoderna för att bestämma omslagstemperatur, DBTT står den absorberande energin som huvudmetod, och en kortare visuell analys av brottytorna görs även. På grund av projektets tidsbegränsning och storlek mäts varken skjuvläppar eller lateral expansion.

2.2 Provade artiklar (produktspecifikationer)

Tabell 1 nedan visar vilka artiklar som projektet innefattar, samt efter vilka processer slagprov utförs. På grund av missad provuttagning, kan slagprovning eller dragprovning efter vissa av processerna tyvärr inte genomföras (dessa är markerade med grått i tabellen). Dragprovning sker i mån av provmaterial, vid brist av material utförs först och främst slagprovning.

Uttag är processen för att plocka ut rören ur lager, det är alltså ingen process som förändrar rören på något sätt. Fortsättningsvis i rapporten kommer därför denna

”process” kallas Ämne, och hänvisar till leverantörernas kvalitet på rören. BK är förkortningen för kalldragningsprocessen, SRA för avspänningsglödgningen och FS för färdigställningen.

Artikel Slagprov och dragprov utförs efter process Chargenr.

VCE075 Uttag BK SRA FS 44764-V

VAE081 Uttag BK SRA FS 42764-M

VCE100 Uttag BK SRA FS 43464-V

VCE127 Uttag BK SRA FS 43061-M

VCE162 Uttag BK SRA FS Z8291-H

VCE182 Uttag BK SRA FS 1423E-I

VAE202 Uttag BK SRA FS 0509E-I

LIX081 Uttag Norm. BK SRA FS 42764-M LIX100 Uttag Norm. BK SRA FS 43464-V LIX127 Uttag Norm. BK SRA FS 43061-M LIX162 Uttag Norm. BK SRA FS Z8281-H LIX182 Uttag Norm. BK SRA FS 1423E-I LIX202 Uttag Norm. BK SRA FS 0762E-I

Tabell 1. Förteckning över provade artiklar

(21)

Förutom dimension och charge (kemisk sammansättning) så skiljer sig artiklarna genom två processfaktorer, nämligen rörens reduktion i kalldragning och temperaturen för avspänningsglödgningen. Dessa finns angivna i Tabell 2 nedan. Normalisering för LIX-artiklarna sker vid samma temperatur, 900 ^oC.

Artikel BK reduktion SRA Temp.

VCE075 23 % 525 ôC VAE081 30 % 575ôC VCE100 30 % 575ôC VCE127 31 % 575ôC VCE162 19 % 600ôC VCE182 12 % + 14 % 575ôC VAE202 9 % + 8 % 525ôC LIX081 30 % 575ôC LIX100 30 % 575ôC LIX127 31 % 575ôC LIX162 19 % 575ôC LIX182 12 % + 13 % 575ôC LIX202 9 % + 8 % 525ôC

Tabell 2. Reduktion kalldragning och temperaturer för avspänningsglödgning för artiklar.

(22)

2.3 Provberedning Slagprovning

Slagproven genomförs enligt standard SS-EN 10 045-1 på Structo Hydraulics AB i deras Wolpert maskin. Standardprovstaven är 55 mm lång med bredd och tjocklek 10 mm. Se Figur 9. På mitten av provstaven skall en anvisning finnas, denna skall vara V- formad med 45^o, 2 mm djup och ha en krökningsradie i botten på 0,25 mm. De slagprov som görs med en V-anvisning kallas för Charpy-V. (Det går även att ha en U-anvisning med ett djup på 5mm och 1 mm krökningsradie, men i detta projekt används enbart provstavar med V-anvisning). Alla artiklar tillåter inte uttagning av provstavar med de standardiserade måtten, därför är det tillåtet att använda provstavar med reducerad tvärsektion, d.v.s. med bredden 5 mm eller 7,5 mm. I detta projekt används alla tre måtten.

Provstavarna maskinbearbetas; fräses, kapas och anvisningsmärkes på ett sådant sätt att materialet inte genomgår någon större plastisk deformation. Inga märkningar av provbitarna får göras på ett sådant sätt att dessa är i kontakt med maskinens stöd.

Provbitarna placeras i ett kärl med aceton. Därefter används kolsyresnö som

kylmedium. Provbitarna skall ligga i sitt kylmedium minst 5 minuter för genomkylning.

Provbitarna tas upp ur kylmedium med en tång, för en så liten temperaturökning som möjligt. Tiden från det att provstaven tas upp ur kylmedium tills det att den slås av får inte överstiga 5 sekunder.

Hur slagsegheten påverkas av reducerade provstavar undersöks genom uttagning av standardprovstavar och reducerade provstavar med bredd 5 mm, som sedan slagtestas i -20^oC och 20^oC. Materialet som används till denna undersökning är LIX182, To. 43215 charge 2303E-I.

Figur 9. Provstav enligt Charpy-V.

(23)

Då påverkan av anvisningarnas position undersöks används samma material, (LIX182 To. 43215 charge 2303E-I), men med anvisningar på olika sidor av

standardprovstavar. Genom kallbearbetning så finns det som innan nämnts både drag- och tryckspänningar i rören. Utifrån spänningarna tas provbitar ut på tre olika sätt enligt figur 10, och slagtestas sedan i -20^oC och 20^oC.

2.4 Provberedning Dragprovning

Dragproverna utförs i dragprovsmaskinen Zwick Z250 på Structo Hydraulics.

Proverna bearbetas genom utsågning och fräsning. Provstaven sågas ut på samma sätt som provstavarna för slagseghetprovning, de är dock mycket längre. Provstaven sågas något smalare på mitten, se figur 11. Provstavens geometri varierar på grund av rörens dimensioner, detta påverkar ingenting då provstavens mått läggs in i mjukvaran för provningen. Testresultat fås direkt ur data från dragprov i form av sträckgräns, Rp 0.2 (MPa), brottgräns, Rm (MPa) och brottförlängning, A (%).

Figur 10. Provuttagning för undersökning av påverkan av anvisningens position.

Figur 11. Provstav för dragprovning sedd från sidan

(24)

2.5 Praxis för reducerade provstavar

Eftersom både standardprovstavar och provstavar med reducerad bredd använts i provningen så måste resultaten räknas om för att kunna jämföras. Detta har gjorts enligt standard EN 10216-3, se Appendix 7.

Om bredden (W) av provstaven är mindre än 10 mm, så konverteras den uppmätta slagenergin till en kalkylerad slagenergi enligt följande:

, där KVC = Kalkylerad slagenergi.

KVP = Uppmätt slagenergi.

W = Bredd på provstav.

W KV_C =10⋅KV^P

(25)

2.6 Provberedning mikroskopbedömning inneslutningar

Undersökningar av inneslutningar utförs på tre prover;

I. LIX100 To. 42481 efter process: BK II. VCE127 To. 42333 efter process: FS III. LIX182 To. 42485 efter process: FS

Denna undersökning utförs i laboratorium på Karlstad Universitet. Provberedning går till på följande vis:

1. Provbitarna ingjutes för att underlätta fortsatt provberedning. Detta görs i Struers Predopress, och processen tar 20 minuter.

2. Sedan tvättas provbitarna med sprit i ultraljud ca 10 minuter.

3. Då stålet är relativt mjukt används slipskiva Allegro 6µm med blå lubrikant (smörjmedelsvätska) och diamantpasta-spray. Provbitarna slipas i 5 minuter med 20N tryck. Maskinen som används heter Struers Rotopol-21.

4. Provbitarna tvättas återigen med sprit i ultraljud i 10 minuter, samtidigt som maskinen rengörs noggrant för att undvika smuts som kan påverka provbitarnas yta.

5. Poleringsduk Mol 3µm används i första poleringssteget med röd lubrikant och diamantpasta-stick. Provbitarna poleras i 4 minuter med 25N tryck.

6. En bedömning av provbitarnas repor bekräftar att poleringsprocessen måste fortsätta ytterligare ett steg. Så provbitarna tvättas återigen i ultraljud i 10 minuter.

7. Den andra poleringsduken som används är Plus3µm med grön lubrikant och diamantpasta-stick. Proverna poleras i 3 minuter med 25N tryck. Efter denna polering bedöms proverna vara så pass fina att poleringsprocessen kan avslutas.

8. Provbitarna tvättas slutligen i ultraljud i 30 minuter.

(26)

2.7 Provberedning mikroskopbedömning kornstorlek

Bestämning av kornstorlek utförs på Karlstads Universitets materiallaboratorium.

Provberedning görs på Structo Hydraulics och på Outokumpu, Storfors enligt följande:

1. Provbitarna slipas med slippapper, storlek: 180, 220, 500 och 1000. Detta görs för hand.

2. Provbitarna poleras för hand på Outokumpu i Struers Rotopol. Poleringsduk DP- Plus 3 µm med blå lubrikant används.

3. Till sist etsas provbitarna med NITAL (3% HNO₃ och etanol).

Mellan varje steg tvättas provbitarna noggrant med sprit.

Vid beräkning av kornstorlek används mjukvara Leica med intercept-metoden med tre cirklar. Därefter kontrolleras resultat med standard, SS 11 11 01.

(27)

3 Resultat

3.1 Slagprovning

Artikel Provning efter Temperaturer

-60 ôC -50 ôC -40 ôC -30 ôC -20 ôC -10 ôC 0 ôC 10 ôC 20 ôC

VCE075 Ämne 11 20 56 87 115

BK 6 7 10 21 43

SRA --- --- --- --- ---

FS 17 35 43 41 67

VAE081 Ämne 45 77 96 147 146

BK --- --- --- --- ---

SRA 7 10 14 25 60

FS 7 12 10 26 52

VCE100 Ämne 15 51 56 67 93 111 144

BK --- --- --- --- --- --- ---

SRA --- --- --- --- --- --- ---

FS 34 32 38 38 42 54 70

VCE127 Ämne 65 81 73 93 131 138 170

BK --- --- --- --- --- --- ---

SRA --- --- --- --- --- --- ---

FS 19 13 9 13 16 41

VCE162 Ämne 9 22 31 47 62

BK 6 7 11 9 16

SRA --- --- --- --- ---

FS 8 13 22 21 49

VCE182 Ämne 42 42 56 84 90 124 121

BK --- --- --- --- --- --- ---

SRA --- --- --- --- --- --- ---

FS 36 39 58 50 96 92 102

VAE202 Ämne 31 42 59 85 125

BK --- --- --- --- ---

SRA 7 15 18 27 46

FS 9 8 24 26 52

LIX081 Ämne 34 56 110 116 144

Norm. 144 169 184 180 179

BK 13 26 51 88 92

SRA 58 106 117 132 128

FS 69 85 126 132 140

LIX100 Ämne 15 51 56 67 93 111 144

Norm. 173 187 171 179

BK 36 72 68 80 82 86 82 86

SRA 88 80 94 112 116 106 108 112

FS 92 92 100 106 108 108 106

LIX127 Ämne 65 81 73 93 131 138 170

Norm. 131 160 180 175

BK 34 33 110 70 65 97 99

SRA --- --- --- --- --- --- ---

FS 40 83 81 100 93 97 103

(28)

-60 ôC -50 ôC -40 ôC -30 ôC -20 ôC -10 ôC 0 ôC 10 ôC 20 ôC

LIX182 Ämne 42 42 56 84 90 124 121

Norm. 82 122 148 156

BK --- --- --- --- --- --- ---

SRA --- --- --- --- --- --- ---

FS 22 14 30 22 30 22 66

LIX202 Ämne 27 38 51 69 85

Norm. 43 44 72 95 120

BK --- --- --- --- ---

SRA 19 36 41 52 92

FS 21 30 36 70 71

Se Appendix 2 för sammanfattade diagram inklusive omslagsområden för de olika artiklarna.

Se Appendix 3 för procentuella skillnader mellan de lika processerna.

3.2 Omvandlingstemperaturer, DBTT

Resultat beräknade enligt definitionen för DBTT = T(KV_50%)

Se Appendix 2 för diagram med de olika omvandlingsområdena.

Artikel Provning efter DBTT ( C) KV(DBTT) (J)

LIX081 Ämne -27,8 89J

Norm. -44 164J

BK -19,2 52,5J

SRA -44,6 95J

FS -30,5 104,5J

LIX100 Ämne -5,2 79,5J

Norm. -30 180J

BK -43,1 61J

SRA -27,8 98J

FS -20 100J

LIX127 Ämne -3,6 117,5J

Norm. -23,1 155,5J

BK 0,5 66,5J

SRA --- ---

FS -32,7 71,5J

LIX162 Ämne 1,5 71,5J

Norm. -29,4 117J

BK 4,4 56J

SRA -15,4 84J

FS -14,8 68J

LIX182 Ämne -10,4 83J

Norm. -21,5 119J

BK --- ---

SRA --- ---

FS 14,1 40J

LIX202 Ämne -14,4 56J

Norm. -11,7 81,5J

BK --- ---

SRA 1,8 55,5J

FS -14,1 46J

Artikel Provning efter DBTT (^o C) KV(DBTT) (J)

VCE075 Ämne -15,5 63J

BK 3,2 24,5J

SRA --- ---

FS 0,8 42J

VAE081 Ämne -20 96J

BK --- ---

SRA 4,9 33,5J

FS 2,7 29,5J

VCE100 Ämne -5,2 79,5J

BK --- ---

SRA --- ---

FS 7,5 51J

VCE127 Ämne -3,6 117,5J

BK --- ---

SRA --- ---

FS 13,6 25J

VCE162 Ämne -14,4 35,5J

BK 5,7 11J

SRA --- ---

FS 5,4 28,5J

VCE182 Ämne -10,4 83J

BK --- ---

SRA --- ---

FS -5,9 69J

VAE202 Ämne -5,4 78J

BK --- ---

SRA -1,1 26,5J

FS 3,1 30J