Utvärdering Thermisol QZS 20G
Ovako Induktionslinje
Simon Vikberg
Högskoleingenjör, Materialteknik 2019
Luleå tekniska universitet
i
Förord
Följande rapport är ett examensarbete av högskoleingenjörsstudent inom materialteknik inriktning metallurgi på Bergsskolan. Examensarbetet innefattar 15 högskolepoäng och är genomfört på Ovako värmebehandling i Hällefors.
Tack till all personal på Ovako som har varit bidragande till att detta arbete har gått att genomföra. Jag skulle även särskilt vela tacka mina handledare som har varit ett stöd under arbetets gång. Tack till Jan Norman handledare Ovako och Jörgen Andersson handledare Bergsskolan.
ii
Sammanfattning
Ovakos induktionslinje i Hällefors består av induktionshärdning följt av induktionsanlöpning. Släckningen vid härdningen sker med hjälp av duschar. Tidigare har Ovako använt sig av polymermedlet Aqua Tensid som släckningskoncentrat. I samband med användning av Aqua Tensid har kund upplevt förbättring i skärande bearbetning. Användningen av Aqua Tensid har dock upphört p.g.a. arbetsmiljöproblem. Ovako har istället införskaffat Thermisol, ett annat polymermedel till släckningsprocessen. Detta arbete innehåller en utvärdering av Thermisol i Ovakos produktion då det tidigare inte gjorts. Test har utförts i induktionslinjen med släckning från rent vatten upp till en koncentrationshalt på 8,4% Thermisol. Testerna är utförda på stålsorten Ovako 356D. Från testerna har prov tagits ut och analyserats efter härdning samt efter anlöpning. Stängerna från testen har även följts upp i Ovakos svarvavdelning för att utvärdera om det uppstår skillnad i skärbarhet. De enbart härdade proverna visar på att prover släckta i Thermisol har större benägenhet till självanlöpning vid ytan. De resterande proverna visar inte på någon märkbar skillnad. Uppföljningen i svarv visar inte på någon skillnad i skärbarhet för stålsorten Ovako 356D.
Abstract
Ovako's induction line in Hällefors consists of induction hardening followed by induction annealing. The quenching process is done with showers. Previously, Ovako has used the polymeric agent Aqua Tensid as quenching concentrate. In connection with the use of Aqua Tensid, the customer has experienced improvement in cutting processing. However, the use of Aqua Tensid has ceased due to safety issues. Ovako has instead acquired Thermisol, another polymer agent for the quenching process. This work contains an evaluation of Thermisol in Ovako's production as it was not previously done. Tests has been performed in the induction line with quenching from pure water up to a concentration content of 8.4% Thermisol. Tests are performed on the steel type Ovako 356D. From tests, samples have been taken out and analysed after hardening, and annealing. Bars from the tests has also been analysed in Ovako's cutting department to evaluate whether there is a difference in cutability. The only hardened samples show that if they are quenched in Thermisol, they have a greater tendency to self-anneal at the surface. Remaining samples do not show any noticeable difference. Tests
iii
Innehållsförteckning
1. Inledning ... 1 1.1 Bakgrund ... 1 1.2 Syfte ... 1 2. Teori ... 2 2.1 Seghärdning ... 2 2.1.1 Martensithärdning ... 2 2.1.2 Anlöpning ... 2 2.1.3 Restaustenit ... 3 2.2 Induktionshärdning ... 32.3 Restspänningar martensitisk genomhärdning ... 4
2.4 Continuous cooling transfrormation (CCT) Diagram... 4
2.5 Kylning ... 5 2.5.1 Kylfaser ... 6 2.5.2 Val av kylmedel ... 7 2.6 Åldring av polymersläckningsmedel ... 7 2.7 Thermisol QZS 20 G ... 8 2.8 Stålsort 356D ... 9 2.9 Skärbarhet ... 10 2.10 Materialprovning ... 11 2.10.1 Vickers hårdhetsprovning ... 11 2.10.2 Slagseghetprovning ... 11 2.10.3 Röntgendiffraktion ... 12 2.10.4 Mätning av restspänningar ... 13 2.10.5 Mätning av restaustenithalten ... 13 3. Metod ... 14 3.1 Förstudier ... 14
3.2 Framtagning av prover i induktionslinje ... 14
3.2.1 Inställningar och temperaturer induktionslinje ... 15
3.3 Utvärdering av prover ... 16
3.3.1 Hårdhetsprofiler ... 16
3.3.2 Drag- och slagprov ... 16
iv
3.3.4 Spänningsutvärdering ... 16
4. Resultat ... 17
4.1 Duschflöden ... 17
4.2 Kostnad användning av Thermisol ... 17
v
Beteckningar
Symbol Storhet (enhet) MS Martensit start (°C)
MF Martensit klar (°C)
1
1. Inledning
1.1 Bakgrund
Ovako i Hällefors har sedan 2015 använt sig av polymerkoncentrat i sitt kylmedel vid släckning i deras induktionshärdningsprocess. Inledningsvis användes polymerkoncentratet Aqua Tensid vid släckning. Användningen av Aqua Tensid har dock upphört på grund av arbetsmiljöproblem. Enligt utvärdering av Ovakos kunder så ska en förbättring i skärande bearbetning ha uppstått efter släckning med Aqua Tensid har skett. Det alkoholbaserade polymerkoncentratet Thermisol har istället införskaffats, då det är ett lämpligare
kylningsmedel med hänsyn till arbetsmiljö. Thermisol har inte genomgått någon utvärdering i Ovakos produktion än.
1.2 Syfte
Detta arbete kommer att behandla en utvärdering av Thermisol i produktion. Prover kommer att utvärderas från stänger släckta i koncentrationer från 8,4 % Thermisol till rent vatten. Utvärdering om släckning med Thermisol ger en förbättring i materiella egenskaper samt skärbarhet, ska besvaras.
Frågeställningen Ovako vill ha svar på är följande:
• Resultat polymerkylning kontra vattenkylning, är kostnaden för polymeren hållbar gentemot de eventuellt förbättrade egenskaperna.
• Medför lägre koncentration eller rent vatten att en ökad sprickrisk eller att konservringar riskeras.
2
2. Teori
2.1 Seghärdning
Seghärdning av stål sker i stegen härdning följt av anlöpning. Detta ger stålet en bra kombination av hårdhet och seghet.
2.1.1 Martensithärdning
Martensitärdning innebär att genom ett termiskt tillvägagångssätt öka materials hårdhet och hållfasthet. De förbättrade materialegenskaperna uppnås genom att en martensitisk struktur bildas i stålet. Värmebehandlingen fungerar på så sätt att stålet värms upp från BCC-struktur, tills dess att en fullständig austenitisk FCC-struktur uppnås. Stål i austenitisk fas kan lösa en högre mängd kol interstiellt därför att FCC-struktur har en högre tätpackningsgrad än BCC-struktur. När det uppvärmda austenitiska stålet hunnit lösa in kolet så utsätts stålet för en släckning, ”snabbkylning”. Om släckningen sker tillräckligt fort för släckningskurvan att nå MS utan att passera perlit- eller bainitnosen i CCT diagrammet så bildas martensit. Se figur 1
för ett typiskt CCT diagram (sida 4). Den snabba kylningen av austeniten gör att ingen diffusionsbetingad omvandling hinner ske. Vilket bildar martesit, då kolet blir tvångsinlöst i stålets grundmassa. Omvandlingen sker diffusionslöst till martensitisk BCT-struktur. Denna diffusionslösa omvandling sker ljudets hastighet och ger ett starkt härdningsbidrag. [1]
2.1.2 Anlöpning
Härdningen är följt av en anlöpningsbehandling. Eftersom martensit är sprött utförs
anlöpningen för att öka segheten i materialet. Under anlöpningsprocessen minskar andelen inlösta legeringselement i grundmassan när karbider skiljs ut. Karbidutskiljningen minskar kolhalten i grundmassan vilket leder till att sluttemperaturen för martensitbildning, Mf ökar.
En ökad temperatur för Mf minskar halten restuastenit i stålet vilket gör att anlöpningen fyller
följande två funktioner:
• Stålets sprödhet minskar eftersom lösningshärdningen av kol och andra legeringselement skiljs ut under anlöpningen.
• Andel restaustenit minskar.
3
2.1.3 Restaustenit
Austeniten omvandlas till martensit under kylning och svalning från härdtemperatur till rumstemperatur. Den andel austenit som inte omvandlas till martensit efter kylning och svalning kallas för restaustenit. Andelen restaustenit som bildas varierar beroende på kemisk sammansättning, austenitiseringstemperatur, kylning och anlöpning. Restaustenit kan påverka egenskaper som slitagemotstånd, utmattningshållfasthet och dimensionsstabilitet.
Restaustenitsfasen är mjuk och duktil. En hög andel restuastenit kan orsaka försämrade slitage- eller kontaktutmattninsegenskaper, samtidigt som det kan leda till en förbättring inom vissa utmattningsbelastningar.[1]
2.2 Induktionshärdning
Induktionshärdning är en termisk process som går att tillämpa på alla material som är elektriskt ledande. Uppvärmningsmetoden är snabb och energieffektiv. Induktiva
kopparspolar austenitiserar den del av stålet som ska härdas genom induktiv uppvärmning. Induktionshärdning är en vanlig metod vid ythärdning då ett noggrant härddjup kan uppnås. När stålstängerna går igenom kopparspolarna bildas ett magnetfält med induktiva strömmar i stålet. Strömmen i stålet alstrar värme genom följande mekanismer:
• Värmning genom materialets resistiva motstånd • Värmning genom hysteresförluster
4
2.3 Restspänningar martensitisk genomhärdning
Fasomvandlings- och termiska spänningar överlappar varandra vid härdning av stål. Detta gör spänningsuppbyggnaden vid härdning av stål komplicerad. Inledningsvis i
släckningsprocessen så kyls ytan av materialet fortare än kärnan. Vilket leder till att ytan vill krympa fortare än kärnan som håller emot, detta orsakar dragspänningar i ytzon och
tryckspänningar i kärnan. Spänningarna i materialet växlas sedan om när MS inträffar vid ytan
av komponenten. Fasomvandlingen till martensit orsakar en plötslig expansion som orsakar dragspänning i kärnan och tryckspänning vid ytan av materialet. Expansionen orsakas eftersom fasomvandling från ett mer tätpackat austenit sker. Då kärnan av materialet uppnår Ms förändras spänningsläget igen och dragspänning fås i ytan medan tryckspänning fås i kärnan. [1]
2.4 Continuous cooling transfrormation (CCT) Diagram
Den kontinuerliga kyltrasformationskinetiken kan med fördel beskrivas med hjälp av ett CCT diagram. Diagrammen konstrueras genom att en serie kylkurvor plottas i ett diagram med temperatur i Y-axeln och tid i X-axeln. Sedan läggs transformationstemperaturer in i vågräta linjer i diagrammet. Se figur 1 för ett typiskt CCT diagram, med en noterad hårdhet för varje kylningskurva. [4]
5
2.5 Kylning
Kylningsförloppet under härdningen påverkar egenskaper som mikrostruktur, hårdhetsfördelning, restspänningar och hållfasthet hos det härdade stålet.
Den kritiska kylningstiden är den högsta tillåtna tiden för kylning ned till Ms utan att passera
ferrit eller perlitnosen, se Figur 2.Varje stål har en unik kritisk kylningstid då den varierar beroende på legeringshalt. [1]
Med ett ståls härdbarhet menas hur enkelt de diffusionsbetingade omvandlingarna går att undvika vid släckning av austenit. D.v.s. ett stål med högre härdbarhet har längre till
ferrit/perlit- bainitnosen i CCT diagrammet och behöver inte släckas lika snabbt för att uppnå martensitbildning. [6]
Riskerna vid en för snabb kylning att det uppstår problem så som sprickbildning,
formförändring och restspänningar orsakad av en för snabb volymförändring. Därför är det viktigt att kylningen är anpassad till given stålsort och dess dimension vid värmebehandling.
[1]
6
2.5.1 Kylfaser
Släckningens kylförlopp vid användning av vätskor som kylmedel delas in i följande tre faser: • Ångfilmfas
• Kokningsfas • Konvektionsfas
Ångfilmsfasen: En tunn ångfilm bildas runt det uppvärmda stålet. Temperaturen i den uppvärmda zonen är så hög att kylmedlet förångas, vilket bildar en skyddande film. Den skyddande ångfilmen har en värmeisolerande förmåga vilket orsakar en låg kylningshastighet i denna fas. Värmeöverföringen sker som strålning genom filmen. Hur länge ångfilmsfasen varar varierar beroende på vilket kylmedel man använder.
Kokningsfasen: Denna fas inleds då yttemperaturen på materialet har blivit tillräckligt låg för att strålningsvärmen inte ska vara tillräcklig för att upprätthålla ångfilmen. I denna fas
kommer kylmedlet i kontakt med materialets yta. Kylmedlet tar åt sig värmen och avgår från stålytan genom att koka och bilda ångblåsor, vilket leder till att en effektiv bortföring av värme. Kylhastigheten i denna fas är hög.
Konvektionsfas: Den sista fasen i kylförloppet, som inleds då stålytans temperatur sjunkit till kylmedlets kokpunkt. Kokning av kylmedlet avstannar och kylhastigheten i denna fas är låg. Konvektionsfasen kan delas in i två delar, fri konvektion och påtvingad konvektion. Fri konvenktion innebär att vätskan inte sätts i rörelse. Bortsett från den rörelse som uppstår på grund av densitetskillnaderna, som uppstår då kylningsmedlet värms upp under
släckningsprocessen. Påtvingad konvektion är om kylningsmedlet kyler materialet med en påtvingad rörelse. [5]
Se Figur 3 för illustration för kylhastigheten i respektive fas.
7
2.5.2 Val av kylmedel
Härdbarhet, dimension och önskade egenskaper hos stålet är de saker som vanligen tas hänsyn till vid val av kylmedel. Kylning sker vanligen i oljor, polymerer, vatten eller gas.
Kylningsmedlet kan appliceras med olika metoder, nedsänkning av uppvärmt material i ett bad eller kylning med dusch. Desto högre härdbarheten är i ett stål, ju mildare släckmedel kan användas för att undvika sprickbildning. [1]
Vattenkylning är det mest ekonomiska kylmedlet och det kräver inget efterföljande
tvättarbete. Nackdelen med vattenkylning är att det riskerar en för snabb kylning vilket kan öka sprickrisken. Användning av vatten vid släckning kan även medföra korrosionsrisk om inget rostskydd används. [1]
Polymerkoncentrat som används vid kylning är vattenbaserade lösningar som kan användas både i bad och kyldusch. De polymermedel som används är vanligen akrylat- eller
glykolbaserade och används ofta vid induktionshärdning. Dess appliceringstemperatur brukar variera från rumstemperatur upp till 60°C. Rekomenderad polymerkoncentration är 5–30% vid kylning i bad och 5 – 15 % i duschkylning vid induktionshärdning. I regel har polymerer en kylhastighet mellan den för vatten och olja. Högre koncentration av polymer resulterar i lägre kylningsförmåga. En för hög koncentration av polymer i kylmediumet kan riskera en otillräcklig hårdhet eller mjuka fläckar på grund av för långsam kylning. Med ett för lågt polymerkoncentrat i kylmedlet riskeras däremot en för hastig kylning, vilket kan orsaka sprickbildning. [5]
2.6 Åldring av polymersläckningsmedel
8
2.7 Thermisol QZS 20 G
Thermisol QZS 20 G är polymerkoncentratet som ska utvärderas. Några av dess egenskaper kan ses i Tabell 1 nedanför. [3]
Tabell 1. Egenskaper för Thermisol QZS 20 G. [3]
Form Vätska Färg Orange Lukt Karakteristisk pH-värde 9,1 (100 g/l, 20 °C) Densitet 1,06/ml (15,00 °C) Rekommenderad temperatur 35 °C
Löslighet i vatten Löslig
9
2.8 Stålsort 356D
Den stålsort som släckningsmedlet ska utvärderas på är Ovako356D. Stålsorten Ovako356D har en hög styrka och god härdbarhetsförmåga. Användningsområden för Ovako356D är stora axlar, maskinkomponenter och verktyg. Den kemiska kompositionen för 356D kan ses i
Tabell 2 och fasomvandlingstemperaturerna för stålsorten presenteras i Tabell 3. [2]
Tabell 2. Den kemiska sammansättningen för Ovako356D. [2]
Tabell 3. De specifika fasomvandlingstemperaturerna för Ovako356D. [2]
Ett CCT diagram har tagits fram för 356D. Där stålsortens hårdhet beroende av släckningstid kan presenteras, se Figur 4.
10
2.9 Skärbarhet
Ett materials skärbarhet förklaras av ett materials beteende vid spånavverkande bearbetning. Skärbarheten påverkar flera faktorer, de viktigaste skärbarhetskriterierna är följande:
• Verktygsförslitning • Skärmotstånd • Spånbrytning • Löseggsbildning • Kladdning
De viktigaste materialegenskaper som har inverkan på skärbarheten är: • Kemisk sammansättning
• Struktur • Hårdhet • Makroslagger • Mikroslagger
11
2.10 Materialprovning
2.10.1 Vickers hårdhetsprovning
Vickersprovning är en hårdhetsmätningsmetod baserad på intrycksförlopp. En diamant med spetsvinkeln 136° används vid intryckning. Intryckningen sker med en bestämd last, olika intryckskrafter kan användas. Lägre krafter orsakar i regel större spridningar då en mindre intrycksvolym blir känsligare mikrostrukturella variationer. Efter applicering med den bestämda kraften så uppstår ett kvadratiskt inryck av diamanten. Ett hårdhetsvärde beräknas från arean som uppmäts av intryckets diagonaler. Den hårdhet som bestäms med vickers
betecknas som HV. Se ekvation (1) för hur hårdheten HV beräknas. [1]
𝐻𝑉 = 𝐾𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 𝑥 𝑖𝑛𝑡𝑟𝑦𝑐𝑘𝑠𝑘𝑟𝑎𝑓𝑡
𝑖𝑛𝑡𝑟𝑦𝑐𝑘𝑒𝑡𝑠 𝑎𝑟𝑒𝑎 = 0,102 𝑥
2 𝑥 𝐹𝑠𝑖𝑛 136°2
𝑑2 (1)
2.10.2 Slagseghetprovning
12
2.10.3 Röntgendiffraktion
Rötgendiffraktion uppstår i en kristall som bestrålas av röntgenljus. Ett interferensfenomen uppstår i kristallen då röntgenljusets våglängd är i samma storleksordning som det inbördes avstånd mellan atomerna i kristallen. Då vågfronten träffar provet blir provets atomer utgångspunkter för nya vågor vars våglängd är samma som för den ingående strålen. Vågsystemen som uppstår blir förstärkta i vissa riktingar och försvagade i vissa riktningar, d.v.s. det uppstår ett interferens eller diffraktionsmönster. Med hjälp av interferensernas lägen och intensiteter i diffraktionsmönstret kan den bakomliggande kristallstrukturen beräknas. [7]
Villkoret för hur röntgenstrålningen reflekteras i kristallen anges av Braggs lag. Konstruktiv interferens uppnås om två strålar som är närliggande och parallella uppfyller följande krav: Skillnaden för röntgenstrålarnas färdsträcka är ett helt antal våglängder. Detta beskrivs med hjälp av Braggs lag, se ekvation 2 nedanför. [8]
2𝑑𝑠𝑖𝑛𝜃 = 𝑛𝜆 (2) Där:
d = Atomplanens avstånd
𝜃 = Vinkeln mellan atomplan och stråle för ingående respektive utgående vinkel. n = Ett heltal
𝜆 =Våglängd
Se Figur 5 för illustration av röntgendiffraktion och parametrarna i Braggs lag.
13
2.10.4 Mätning av restspänningar
För ett finkornigt kristallint material som är i ett spänningslöst läge så är avståndet mellan atomerna ”d”, konstant. För ett material som har utsatts för elastisk deformation så ändras atomplansavståndet beroende på hur spänningen är orienterad i materialet samt kornens orientation förhållande till spänningen.
Vid mätning av restspänningar med röntgendiffraktion så utnyttjas den bestämda
uppsättningen av atomplanens variation. Beroende på atomplanens vinkelmässiga position i förhållande till restpänningsriktningen. Kommer röntgendiffraktionsriktningen att förskjutas något beroende på mätningsriktning för samma typ av atomplan. Töjningen kan uppskattas
från förskjutningen av diffraktionslinjen och en restpänning kan därmed beräknas. [1]
2.10.5 Mätning av restaustenithalten
När restaustenitsmätning utförs med röntgendiffraktion så utnyttjas det karakteristiska diffraktionsmönstrerna för de olika faserna. Diffraktometern detekterar vanligen
14
3. Metod
3.1 Förstudier
Förstudier har gjorts för att få en ökade förståelse av processerna som ingår i arbetet. Samt för att ta reda på om liknande arbeten har genomförts tidigare.
3.2 Framtagning av prover i induktionslinje
För att utvärdera polymerkoncentratet Thermisol delades testet in i följande körningar med olika koncentrationer.
Körning 1:
Enbart vatten, (0% Thermisol). Körning 2:
5,7% Thermisol. Körning 3: 8,4% Thermisol.
Utvärderingen har utförts på stänger av stålsorten Ovako 356D med diametern 29,5 mm. Eftersom testerna har utförts på en skarp post till kund så har hårdhetskrav tagits hänsyn till. För stängerna efter härdning och anlöpning var hårdhetskravet mellan 457-483 HB. För varje körning togs det ut härdat och anlöpt prov från fem olika stänger. Ett prov från enbart härdad stång togs ut från varje körning.
Tillsatts av polymer har skett med hjälp av pump från fat av Thermisol till den vattentank som är kopplad till duscharna. Polymerkoncentrationerna har uppmätts med hjälp av en
15
3.2.1 Inställningar och temperaturer induktionslinje
Vid samtliga körningar har parametrar som temperaturer och inställningar på induktionslinjen varit så lika som möjligt för en korrekt jämförelse. De parametrar som har låtit ändras
beroende på polymerkoncentratet är duschflödena. Duschflöderna har låtit ändras för att få samma temperatur ut. De olika duschflöderna som krävdes för samma utgångstemperatur beroende på polymerhalt presenteras i resultatdelen.
De inställningsparametrar som har hållits lika under samtliga körningar kan ses i tabell 4 nedanför.
Tabell 4. Inställningsparametrar.
Matningshastighet (mm/s) 5,5
Elektrisk spänning Härdning (V) 1015
Elektrisk spänning Anlöpning (V) 175
Temperatur in, Härdning (°C) 900
Temperatur ut, Härdning (°C) 220
Temperatur Anlöpning (°C) 315
Induktionslinjen har för samtliga körningar riggats enligt Tabell 5 och 6 nedanför.
Tabell 5. Riggning induktionsspolar för spolplats 1–8 för härdning av stång. Spole
dim.
1 2 3 4 5 6 7 8
28–50 - 15 L 21 L 15 L 21 L 15 L 21 L 21 L
Tabell 6. Riggning av induktionsspolar för spolplats 1–12 för anlöpning av stång. Spole
dim.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
16
3.3 Utvärdering av prover 3.3.1 Hårdhetsprofiler
Hårdhetsprofiler för seghärdat stål har gjorts på prov från fyra olika stänger för varje körning. Ett prov togs även ut från en härdad stång för varje körning. Hårdhetsprofil av enbart härdat stång har därmed också tryckts. Profilerna är tryckta i testlasten 10 kgf. Val av testlast baserades på att stabilare mätvärden uppnåddes än vid val av lägre testlast.
3.3.2 Drag- och slagprov
Prover togs ut för att utvärdera både drag och slagprov från samtliga körningar. Sex slagprov från varje körning utvärderas. Proverna var för hårda för att bearbeta till dragprov i svarv på Ovakos materiallabb och kunde därmed inte utvärderas.
3.3.3 Utvärdering skärbarhet i svarv
För att utvärdera stängernas skärbarhet i svarv hölls samtliga skärdata konstant samtidigt vridmomentet noterades för samtliga stänger som svarvades. Genom att utvärdera
vridmomentet som krävdes för att svarva stängerna beroende på körning ges en översikt om skärbarhet påverkas. Vridmomentet ökar desto fler stänger som körts på samma skär p.g.a. förslitning av skärverktyg. På så sätt kan även verktygsförslitning beroende på mätning undersökas. Antal stänger ingick i varje mätning var 25, därefter byttes skärverktyg inför nästa mätning. Skärverktygen från mätningarna har också visuellt analyserats. Testet är gjort i Ovakos skalsvarv innehållande fyra skär. Skärverktyget av modell ”PF A2” användes. I tabell 7 presenteras skärdata för mätningarna.
Tabell 7. Skärdata för mätningarna.
Matningshastighet (m/min) 5,70 Matning/varv (mm/u) 6,10 Skärhastighet (m/min) 85,00 Max Utgångsdiameter (mm) 28,40 Min Utgångsdiameter (mm) 28,33 3.3.4 Spänningsutvärdering
Bedömning av sprickor/konservringar har gjorts visuellt. Mätning av
17
4. Resultat
4.1 Duschflöden
För att uppnå samma utgångstemperatur efter släckning fick duschflöderna ändras beroende på polymerhalt. Ju högre halt Thermisol desto högre duschflöden krävdes för att uppnå samma utgångstemperatur. Resultatet för de olika duschflöderna som krävdes för att uppnå samma temperatur ut efter härdning kan ses i Tabell 8.
Tabell 8. Duschflöde för de olika körningarna.
Test Dusch 1 (m3/h) Dusch 2 (m3/h)
Körning 1 (0% Thermisol) 9,8 0,9
Körning 2 (5,7% Thermisol) 9,8 3,5
Körning 3 (8,4% Thermisol) 11 4,4
4.2 Kostnad användning av Thermisol
Ett fat av Thermisol innehåller 205 liter, priset för polymermedlet är 60 kr/liter. För att uppnå en halt av 5,7% Thermisol i vattentanken krävdes ca 2 och ¾ stycken fat. Efter tillsats av 4 fat uppmättes koncentrationen till 8,4%.
Utifrån detta kan en kostnadsuppskattning av Ovakos polymersläckningar göras, se Tabell 9. Tabell 9. Kostnad i Thermisol för respektive koncentrationshalt.
Polymersläckning Mängd Thermisol (L) Kostnad (Kr)
Körning 2 (5,7% Thermisol) 564 33 840
18
4.3 Hårdhetsprofiler
Diagram av hårdhetsprofiler för de härdade och anlöpta proverna presenteras i Figur 6 – 8.
Figur 6. Hårdhetsprofil 0% Thermisol, härdad och anlöpt.
Figur 7. Hårdhetsprofil 5,7% Thermisol, härdad och anlöpt.
19
Figur 8. Hårdhetsprofil 8,4% Thermisol, härdad och anlöpt.
De vattensläckta proverna fick en något lägre hårdhet än de polymersläckta, men skillnaden är minimal. Sammanställning av resultatet för hårdhetsprofilerna kan ses i Tabell 10 - 12.
Resultatet tyder inte på någon märkbar skillnad i härddjup beroende på släckmedel.
Tabell 10. Sammanställning värden hårdhetsprofil vattensläckta prover, härdade och anlöpta.
Prov Max (HV) Min (HV) Medel (HV) Skillnad Max-Min (HV) St Av (HV)
1 A 495 453 470 42 10
1 B 495 460 478 35 10
1 C 486 464 467 22 6
1 D 491 456 467 35 9
Tabell 11. Sammanställning värden hårdhetsprofil prover släckta i 5,6% Thermisol, härdade och anlöpta.
Prov Max (HV) Min (HV) Medel (HV) Skillnad Max-Min (HV) St Av (HV)
20
Tabell 12. Sammanställning värden hårdhetsprofil prover släckta i 8,4% Thermisol, härdade och anlöpta.
Prov Max (HV) Min (HV) Medel (HV) Skillnad Max-Min (HV) St Av (HV)
3 A 494 468 482 26 6
3 B 505 477 488 28 9
3 C 497 472 481 25 9
3 D 494 469 480 25 8
Hårdhetsprofilerna för de enbart härdade proverna kan ses i Figur 9. Resultatet för dessa prover speglar inte proverna som blivit härdade och anlöpta. De polymersläckta proverna visar på lägre hårdhet vid ytan för de tre första mätvärdena följt av en markant ökning. Detta tyder på att de härdade proverna som blivit släckta i Thermisol är självanlöpta vid ytan. Djupet för det självanlöpta området sträcker sig upp till 2.5 mm från provets yta.
Figur 9. Hårdhetsprofil härdade prover.
21
4.4 Mikrostruktur
De härdade provernas struktur i kärna och yta kan ses i Figur 10 - 12. Mikrostrukturen i provernas mitt visar på ljusa fläckar vilket skulle kunna vara restaustenit. Från figurerna går det inte att göra någon slutsats att släckning i Thermisol skulle kunna ha någon inverkan på mikrostruktur.
Figur 10. Mikrostruktur för prov släckta i vatten. Provets yta visas till vänster och dess mitt till höger.
22
Figur 12. Mikrostruktur för prov släckta i 8,4% thermisol. Provets yta visas till vänster och dess mitt till höger.
4.5 Slagprov
Slagprovsresultat för härdade och anlöpta proverna kan ses i Tabell 13. Ingen märkbar skillnad mellan proverna.
Tabell 13. Resultat av slagprov.
0% Thermisol 5,7 % Thermisol 8,4% Thermisol
27 J 29 J 28 J 33 J 31 J 28 J 28 J 29 J 29 J 29 J 30 J 32 J 30 J 31 J 26 J 29 J 30 J 31 J 4.6 Sprickbildning/Konservringar
23
4.7 Utvärdering av skärbarhet
Resultatet av skärbarhetstestet för de olika körningarna kan ses i Figur 13. De vattensläckta stängernas värden i vridmoment ligger något under de polymersläckta stängerna. Vilket speglar resultatet i hårdhetsprofilerna där de vattensläckta proverna hade en hårdhet något under de polymersläckta. Någon slutsats att Thermisol har inverkan på skärbarhet kan inte tas.
Figur 13. Vridmomentet inverkan vid skärande bearbetning efter antal stänger.
Förtydligande av vridmoment från första och sista stång för varje mätning kan ses i tabell 14.
Tabell 14. Skillnad i vridmoment mellan första och sista stång för samtliga mätningar.
Typ av stång Vridmoment Stång 1 (Nm) Vridmoment Stång 25 (Nm) Skillnad (Nm)
24
4.7.1 Verktygsförslitning
Jämförelse av skärverktyg från svarvningsundersökningen kan ses i Figur 14 till 16. Varje verktyg har svarvat 25 stänger var. Undersökning av verktygsförslitning bekräftar resultatet för skillnad i vridmoment under bearbetning. D.v.s. verktygsförslitningen för de olika körningarna verkar vara lika.
Figur 14. Förslitning av skärverktyg som svarvat 25 vattenhärdade stänger.
Figur 15. Förslitning av skärverktyg som svarvat 25 stänger härdade i 5,7% Thermisol.
25
5. Diskussion
Enligt Ovakos utvärdering tillsammans med kund hade skärbarheten förbättrats efter
släckning med polymermedlet Aqua Tensid skett. Att skärbarheten förbättrades då men inte förbättrades med Thermisol skulle kunna bero på flera orsaker. Olika teorier till orsaker presenteras nedanför:
• Det är två olika släckningskoncentrationer, kanske Aqua Tensid har en annan effekt än Thermisol
• Att enbart vissa av Ovakos stålsorter som inte detta arbete behandlat gynnas av släckning med Thermisol.
• Att den tidigare upplevda förbättringen i skärbarhet berott på andra orsaker än kylmedlet i härdningen, men råkade inträffa i samband.
Den enda skillnaden för de prover som var släckta i Thermisol var den mjukare ytan i
26
6. Slutsatser
Under de driftförhållanden som skett i detta arbete för stålsorten Ovako 356D kan följande slutsatser tas angående släckning i Thermisol:
• Släckning av Thermisol tycks inte ge någon skillnad i hårdhetsprofil för de prover som blivit härdade och anlöpta.
• Resultatet visar att härdning med Thermisol ger en större benägenhet för självanlöpning.
• Slagproverna visar inte någon skillnad i seghet.
• Analys av proverna i ljusoptiskt mikroskop visar på att ingen skillnad i mikrostruktur kan ses.
• Analys av vridmoment och verktygsförslitning tyder på att ingen förbättring av skärbarhet sker.
• Desto högre koncentration Thermisol som används ju högre duschflöden krävs får att uppnå samma utgångstemperatur.
• Kostnad i släckningsmedel för 5,7% thermisol motsvarar ca 33 840 kr och för 8,4% thermisol ca 49 200 kr.
Eftersom inga fördelar vid användning av Thermisol kunnat konstaterats i detta fall. Varken i bearbetning eller i materiella egenskaper, finns det ingen anledning att använda sig av
27
6.1 Fortsatta arbeten
För att ytterligare utvärdera om Thermisol är gynnsamt för Ovakos produktion ges följande förslag:
• Utvärdering av andra stålsorter skulle kunna göras, någon mer sprickkänslig stålsort är av särskilt intresse. Thermisol skulle kunna ha en gynnsam effekt för andra stålsorter än Ovako 356D.
• Testa andra dimensioner. Stängerna i detta arbete hade en diameter på 29,5 mm, vilket är en av de tunnare stängerna inom Ovakos produktion. Kanske skulle en gynnsam effekt uppnås för stänger av grövre dimensioner.
• Utföra fler tester för att ge en större statistisk säkerhet i resultaten. Om självanlöpning vid ytan för härdade prover släckta i Thermisol vanligen uppstår, eller om det var en tillfällighet i detta arbete är av intresse att säkerställa.
28
Referenser
[1]E. Troell, H. Kristoffersen, T. Holm, J. Fahlkrans, S. Haglund, P. Olsson. 2010-01.Stål
och värmebehandling – En handbok. Swerea IVF AB.
[2] Ovako, [Online]. Available: https://steelnavigator.ovako.com/steel-grades/34crnimo6/ (Använd 2019-04-15)
[3] FUCHS säkerhetsdatablad. 30-06-2015. Enligt förordning (EG) nr 1907/2006 (REACH) Artikel 31, Bilaga II med ändringar.
[4] Ji-Cheng Zhao, Michael R. Notis. 1995. Continous cooling transformation kinetics versus isothermal transformation kinetics of steels: a phenomenological rationalization of
experimental observations. S. 137-140.
[5] E. Troell, H. Kristoffersen, J. Bodin, S. Segerberg. 2014. Comprehensive Materials Processing, 12-04 - Controlling the Cooling Process – Measurement, Analysis, and Quality Ensurence
[6] Donald R. Askeland, Pradeep P. Fulay, Wendelin J. Wright, The Science and Engineering of Materials. Sixht Edition
[7] Nationalencyklopedin, röntgendiffraktion.
http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/lång/röntgendiffraktion(hämtad 2019-04-26)
[8] Nationalencyklopedin, Braggs lag.
http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/lång/braggs-lag (hämtad 2019-04-26) [9] Jernkontoret, Skärbarhet
29
Bilagor
Dokument för hårdhetsprofilerna presenteras. Notera att det står fel djup regristrerat i bilagorna, första intryckningsdjupet är 0.5, andra är 1.5, osv.
42 Hårdhetsprofil: 5,7% Thermisol, härdad.
