Karlstads universitet 651 88 Karlstad Tfn 054-700 10 00 Fax 054-700 14 60 Information@kau.se www.kau.se
Fakultet
Ekonomi, kommunikation och IT
Maria Eriksson
Kvalitetsarbete på stålverk
Undersökning av slagseghetsprover och kvalitetsbristkostnader relaterade till dem.
Quality work at a steel mill
Examination of impact toughness samples and quality costs related to them.
Examensarbete 30 hp
Civilingenjör Industriell ekonomi
Datum/Termin: 11-10-01
Handledare: Karin Carling, Dan Nordin Examinator: Berndt Andersson
2
Förord
Följande arbete är det avslutande momentet i min utbildning till civilingenjör i industriell ekonomi på Karlstads Universitet. Genom att utföra examensarbetet har de kunskaper som erhållits under tiden på universitet fått testas i
verkligheten och lett till nya lärdomar och erfarenheter som inte varit möjliga utan att få komma ut i arbetslivet. Arbetet har utförts i samarbete med
Uddeholms AB på avdelningen för forskning och utveckling i Hagfors under sommaren 2011.
Under arbetet har jag varit beroende av hjälp och stöd från många personer på Uddeholms AB och är mycket tacksam att alla tagit sig tid.
Särskilt tack till;
Henrik Jesperson(handledare) Maria Kvarnström
Karin Steneholm Jenny Karlsson
Rikard Robertsson och Johan Johansson Mats Melén
Lennart Hallberg Börje Gustavsson Maria Norberg
Utan er hade arbetet inte varit möjligt att genomföra!
Tack även till Karin Carling, Dan Nordin och Berndt Andersson för handledning på Karlstads Universitet.
Karlstad, september 2011 _______________________
Maria Eriksson
3
Sammanfattning
Ur ekonomisk synvinkel är kontinuerligt arbete för förbättrad kvalité viktigt, men kostnader måste sättas i proportion till de förbättringar som kan uppnås så att varje investerad krona omsätts på mest kostnadseffektiva sätt. I det genomförda examensarbetet har parametern slagseghet hos verktygsstål varit i fokus. Det är en liten del i en lång rad av kvalitetskrav som måste uppfyllas innan verktygsstålet kan levereras till kund.
Examensarbetet har utförts i samarbete med Uddeholms AB på avdelningen för forskning och utveckling i Hagfors. Initiering till arbetet och dess syfte är att undersöka brottorsaken hos fyra olika verktygsstål som underkänts i
slagseghet. Kan brottorsaken fastställas kan man kanske hitta orsaken till att felet uppkommit, ändra i processen och på så sätt få ett bättre utbyte, en högre kvalité och lägre kvalitetsbristkostnader.
Uddeholms AB har en medveten strategi i sitt kvalitetsarbete. Under hela produktionsprocessen sker kontroller för att säkerställa de materiella kraven stor vikt läggs också på att kunden får ett bra bemötande i sina kontakter med företaget. Företaget är kvalitetssäkrat enligt flera standarder som till exempel ISO.
För kunder av verktygsstål är högt ställda krav på materialet en garanti för att kunna säkerställa en hög produktion, effektiv tillverkning och att verktyget som används för exempelvis pressning av bildörrar ska ha en lång livslängd.
Detta är sammantaget viktigt för att kunden ska kunna kontrollera sina kostnader och hålla dem så låga som möjligt. Förutom materialkrav ställer kunden också krav på god service och bemötande för att inte välja en konkurrent istället.
I flera av proverna var det svårt att med säkerhet kunna hitta orsaken till brott.
Orsaker till brott som kunde ses var framförallt större icke metalliska inneslutningar, karbider som ansamlat sig och tillväxt eller avvikelser i strukturen.
Det är svårt att se mönster av avvikelser som kan ha orsakat försämrad slagseghet. Trots att det går att se vad som orsakat brottet är det svårt att svara på varför det har blivit så. Fler studier som inriktar sig på ett problem i taget och omfattar fler prov samt involverar stålets hela tillverkningsprocess skulle i framtiden kunna leda till förbättringar av kvalitén och vinster i form av sänkta kvalitetsbristkostnader. Svepelektronmikroskop är ett bra instrument för att hitta orsaken till försämrad slagseghet.
4
Innehållsförteckning
Förord ... 2
Sammanfattning ... 3
Innehållsförteckning ... 4
1) Inledning ... 6
1.1) Företagsbeskrivning ... 6
1.2) Projektbakgrund... 6
1.3) Syfte och mål... 7
1.4) Omfattning och avgränsning ... 8
2) Metod och genomförande ... 9
3)Teori och bakgrund ... 10
3.1) Litteraturstudie om Kvalité och kvalitetsbrister ... 10
3.2) Stålkonsumtion ... 16
3.3) Exempel på skrotbaserad framställning av verktygsstål ... 17
3.4) Kvalitetsarbete ... 19
3.5) Slagseghetsprovning av stål, Charpy-V-test. ... 21
3.6) Stål som ingått i arbetet. ... 23
3.6.1) Uddeholm Dievar ... 24
3.6.2) Uddeholm Orvar Superior ... 24
3.6.3) Uddeholm Orvar Supreme ... 25
3.6.4) Uddeholm Vidar Superior ... 25
3.7) Svepelektronmikroskop(SEM) ... 26
4)Resultat av kvalitetsbrister och kostnader kopplade till låg slagseghet. ... 29
4.1) Utbyte och kassationer. ... 29
4.2) Kvalitetsbristkostnader ... 31
4.3) Undersökning av brottytor ... 31
4.3.1) Uddeholm Dievar ... 32
4.3.2) Uddeholm Orvar Superior ... 32
4.3.3) Uddeholm Orvar Supreme ... 33
4.3.4)Uddeholm Vidar Superior ... 33
4.4) Rekommendationer ... 33
5
5)Diskussion och Slutsats ... 34
7) Referenser ... 37
Bilaga I) Ordlista ... 40
Bilaga II) Ämnen i analyserade stål ... 42
Kisel (Si) ... 42
Mangan (Mn) ... 42
Krom (Cr) ... 42
Molybden (Mo) ... 43
Vanadin (V) ... 43
6
1) Inledning
1.1) Företagsbeskrivning
Begynnelsen till Uddeholms AB sträcker sig nästan 350 år bakåt i tiden. År 1668 byggdes en hammarsmedja och ett stålverk i Stjärnsfors, utanför Uddeholm av Johan Karlström. Flera smedjor och gjuterier uppfördes i regionen och tillsammans förenades de så småningom till det som idag är Uddeholm och Uddeholms AB. År 1870 blev företaget ett aktiebolag och stålverket i Hagfors stod klart 1878, på samma plats som det ligger än idag. Uddeholm Svenska AB är Uddeholms marknadsbolag i Sverige och har i mer än 100 år funnits som säljenhet på marknaden.
Uddeholm är idag en världsledande leverantör och tillverkare av verktygsstål.
Ca 3000 anställda är fördelade över hela världen. I Asien och Sydamerika är säljkanalen det helägda dotterbolaget Assab. Sedan 1991 ingår Uddeholms AB i den österrikiska stålkoncernen Böhler-Uddeholm AG som är internationellt ledande och har fokus på fyra divisioner, nämligen högpresterande metaller, svetsprodukter, bandprodukter och smide. I sin tur var Böhler-Uddeholm AG en del av stålkoncernen Voestalpine AG med säte i Linz och ca 40 000
anställda fördelat på divisionerna stål, specialstål, järnvägssystem, profiler och fordon. Numera har Böhler -Uddeholm AG blivit Voestalpine Edelstahl GmbH.
Uddeholms AB i Hagfors har i dagsläget 900 anställda.
1.2) Projektbakgrund
Vid tillverkning av stål strävar man efter att få ett så homogent material som möjligt vilket kräver noggrann avvägning i kemiska tillsatser såväl som vid den mekaniska bearbetningen av stålet. En enkel jämförelse kan göras med sockerkakssmet som måste få rätt ingredienser, vispas för att undvika klumpar och sedan vara rätt tid i rätt temperatur i ugnen. För att stålet inte ska få några orenheter sker noggranna kontroller längs hela produktionsprocessen och allt stål kvalitetssäkras innan leverans. I detta examensarbete ligger fokus på slagseghetsprovningen och kvalitetsbrister som kan ha orsakat
underkända provers för låga värden.
Samtligt stål som tillverkas för att bli verktygsstål har hårda krav på sig från sina kunder. Det gäller att både tillfredsställa högt ställda materialkrav för att säkra en lång livslängd, problemfri produktion och detta vid hög produktionstakt av exempelvis pressning av bildörrar, tillverkning av tangentbord i plast som görs i formar eller tandborstar. Förutom rent tekniska parametrar jämför även
kunden vilka andra fördelar han eller hon får av att välja en viss leverantör i form av service, bemötande och andra värderingar som kanske inte är lika lätta att mäta som något materialtekniskt (Hua et al. 2011; Kirichkov 1995).
7
Stål för pressgjutning på bland annat den amerikanska marknaden måste uppfylla höga kvalitetskrav ställda av NADCA(Nordic America Die Casting Association). Dessa krav finns sammanställda i NADCAs publikation #229, Special Quality Die Steel & Heat Treatment Acceptance Criteria for Die Casting Dies. Energiabsorption vid slagprovning testas med Charpy V-
provstavar efter värmebehandling. Det som kontrolleras är hur mycket energi som går åt för att provstaven ska gå av. Ju mer energi som går åt för att slå av en provstav, desto högre är slagsegheten. Alla tillverkningsposter testas före leverans och viss procent blir underkända till följd av för låg slagseghet.
En stor del kan återvinnas, men kostnaden för smältning, vakuumbehandling och avgjutning i stålverket liksom kostnaderna för elektroslaggomsmältning, smide och provning är ändå betydande. Slagseghetsproving är ett av många materialtest som genomförs före leverans. Den kemiska
sammansättningen säkras i olika steg under produktionsprocessen. De slutliga materialegenskaperna påverkas genom värmebehandling och formning.
Egenskaperna som testas och riktvärdena som gäller anges för varje stålsort och varierar med stålets tänkta användningsområde. Kunskap om vad kunden ska använda stålet till behövs för att stålets egenskaper ska uppfylla det kunden förväntar sig av stålet och man kan leverera rätt material för ändamålet.
1.3) Syfte och mål
Examensarbetet vill koppla ihop teorierna om kvalitetsarbete med praktisk testning i form av slagseghetsprovning. Kvalitetsarbete omfattar ett brett spektrum med alltifrån rent materialtekniska parametrar till service, miljökrav och certifieringar.
Följande frågor kommer besvaras med hjälp av resultaten i examensarbetet.
Vilka kvalitetsbristkostnader s uppstår till följd av underkända poster med låg slagseghet?
Vad är möjliga orsaker till för låg slagseghet? Kan orsaker hittas genom att studera underkända provstavars brottyta i svepelektronmikroskop.?
Finns en eller flera möjlig/a orsak/er till det uppkomna problemet i produktionslinjen?
Syftet med examensarbetet är att undersöka om det går att förklara orsaker till låg slagseghet genom undersökning av slagprovstavar i
svepelektronmikroskop(SEM). Om det går att hitta vilka processparametrar som är kopplade till de defekter som hittas finns möjlighet att justera dessa. På så sätt sparas kvalitetsbristkostnader som den låga slagsegheten orsakar. Kan
8
orsaker till brott konstateras i SEM kan det vara lämpligt att i fortsättningen studera brottytor.
Målet är att kunna sänka kostnader vid tillverkning genom att justera
processparametrar och få en sänkning av kostnader för brist i kvalité gällande slagseghet.
För kunder av verktygsstål är högt ställda krav på materialet en garanti för att kunna säkerställa en hög produktion, effektiv tillverkning och att verktyget som används för exempelvis pressning av bildörrar ska ha en lång livslängd.
Detta är sammantaget viktigt för att kunden ska kunna kontrollera sina kostnader och hålla dem så låga som möjligt. Förutom materialkrav ställer kunden också krav på god service och bemötande för att inte välja en konkurrent istället.
1.4) Omfattning och avgränsning
Studien omfattar och begränsas till fyra specifika stålsorter för att om möjligt kunna fastställa vilka kostnader som kvalitetsbrist hos dessa stål medför.
Proven som slagseghetstestas arkiveras i sex månader och detta arbete berör prover från första halvåret 2011. Det var först tänkt att fokusera på endast stålsorten Uddeholm Dievar, men tillsammans med handledare bestämdes att komplettera med ytterligare tre stålsorter från Uddeholm, Orvar Superior, Orvar Supreme och Vidar Superior. Samtliga är varmarbetsstål som
genomgått ESR-omsmältning1 och har flera likheter i karaktär och
användningsområden varför det ansågs lämpligt att låta dem ingå i arbetet.
Stålen är tack vare sina materialegenskaper och kemiska sammansättning lämpliga för pressgjutnings-, strängpressnings- och smidesindustrin men även för formning av plast. Kunder finns över hela världen och kan exempelvis vara bilindustrin, tillverkning av mobiltelefoner eller tandborstar. Hög kvalitet är viktigt för kunderna eftersom det för dem innebär en effektiv produktion där verktygen håller kraven på egenskaper och livslängd.
1 Ordlista, Bilaga 1.
9
2) Metod och genomförande
Examensarbetet har kunnat delas upp i tre etapper, med en introduktion, en praktisk studie och till sist en period av sammanställning och fördjupning inom kvalitetsarbete och teorier omkring det.
Arbetet i Hagfors började med rundvisning och introduktion av järnverket samt en genomgång av hur svepelektronmikroskopen fungerar och används.
Därefter tog det praktiska arbetet vid med att studera slagseghetsprover i SEM. Slutligen har allt material sammanställts till en färdig rapport.
Under arbetets gång har fokus breddats från att endast finnas i slagseghetsprovning till att översiktligt ta upp det genomgripande
kvalitetsarbete som utförs hos Uddeholms AB och andra företag. Det krävs ett noggrant arbete genom alla steg från smälta till leveransfärdigt stål, för att säkerställa kvalité, såväl materiell kvalité som service till kunden.
I examensarbetet ingår en litterär sammanställning av teorier som är viktiga för ett företags kvalitetsarbete och av en empirisk del där en fördjupande undersökning har gjorts av stålprover från leveranser som har underkänts på grund av för låga värden i slagseghet. Litteraturstudierna har gjorts genom att läsa facklitteratur om kvalité, kvalitetsarbete, ståltillverkning, provning, och svepelektronmikroskopi, samt komplettera med vetenskapliga artiklar. De vetenskapliga artiklarna har funnits tillgängliga genom Karlstads universitets biblioteks databaser såsom Science Direct, Emerald, Academic Search Elite, Engineering Village och sökord som används har varit kvalité, provning, verktygsstål, TQM, kvalitetsbristkostnad, kvalitetskostnad samt motsvarande på engelska.
Underkända provstavars brottyta analyserades i svepelektronmikroskop(SEM) för att eventuella avvikelser som förklarar den försämrade energiabsorptionen skulle kunna detekteras. Slagseghetsprover från fyra stålsorter plockades ut från arkivet hos Uddeholms AB och de kommer från första halvåret 2011.
Proverna har studerats i svepelektronmikroskop för att om möjligt finna brottorsaken genom att utgå från punkten i provet där brottet har initierats.
Två olika SEM användes i undersökningarna, ett äldre svepelektronmikroskop, Jeol JSM 840 från 1986 samt det nyare FEI Quanta 600 Mark II från 2006. Båda var utrustade med Oxford energidispersiva system för röntgendetektion och analysmjukvaran INCA. Analysverktyget är detsamma för båda, men det nyare SEMet är modernare och mera användarvänligt då det är lättare att ställa in skärpa och få en tydlig bild.
10
Preparering av brottytorna skedde genom tvätt med sprit och därefter torkning med tryckluft. I ett fåtal fall slipades och polerades en sida på provet(figur 1) och etsades för att på så vis kunna se strukturen på stålet i ljusmikroskop(inte brottytan). Slipningen gjordes för hand med hjälp av
slippapper(SiC) med tre olika finheter (180,320 respektive 1200 µm). Poleringen gjordes med hjälp av diamant (3 respektive 1 µm) och smörjmedel(lubrikant).
Etsningen skedde därefter genom att doppa provet i ett etsmedel, sedan spola av med vatten och torka i tryckluft.
Figur 1)Visar vilken sida av provstaven som har preparerats.
3)Teori och bakgrund
Här följer en teoretisk bakgrund om kvalité och kvalitetsarbete som förklarar vad kvalité är och varför det är viktigt att arbeta med kvalité och
kvalitetsbrister för ett företag. Därefter följer fakta om stålkonsumtionen i Sverige, beskrivningar på hur stål kan tillverkas, vad slagseghetsprovning är, hur ett svepelektronmikroskop används och vilka stål som ingår i
examensarbetets undersökning av slagseghetsprover.
3.1) Litteraturstudie om Kvalité och kvalitetsbrister
Ordet kvalitet eller kvalité kommer ur latinets qua´litas vilket motsvarar
beskaffenhet eller egenskap. För att något ska kunna ha kvalité behöver man kunna mäta den och jämföra exempelvis något av god kvalité med något av sämre kvalité. Demokritos har diskuterat skillnaden mellan
primära(mätbara, som exempelvis längd och vikt)och sekundära
kvalitéer(som kan uppfattas subjektiv och vara exempelvis färger) i historien.
Andra vetenskapsmän har sedan fortsatt som även Galilei, Descartes, Newton och Locke (Nationalencyklopedin. 2011).
Det finns många dokumenterade uttryck för vad kvalité är eller hur den beskrivs. Olika filosofer har sina uttryck för att beskriva kvalité. Philip
Crosby(1979) använder sig av ”Conformance to requirements”, ”Fitness for use” är ett uttryck av Joseph Juran(1951) och Genichi Tauchi beskriver på sitt sätt sakanaden av kvalite´så här ”The lack of quality is the losses a product imparts to the society from the time the product is shipped”(1979) (Bergman &
Klefsjö 2010). Kvalité är sammantaget någonting subjektivt och precis som konst beror tolkningen på vem det är som gör bedömningen. För att kunna
11
förbättra kvalitén har företag strävat efter att kunna mäta sin kvalité genom olika parametrar och sedan mäta de kostnader som är relaterade till
respektive parameter. Endast då man kan mäta något före och efter en förändring är det möjligt att kunna påvisa förbättring. Olika kvalitetsprogram har tagits fram för att användas som verktyg i kvalitetsarbete. ISO 9001 och ISO 14001(ISO International Organization for Standardization 2011) är exempel på kvalitetssystem, men företag kan också utarbeta egna metoder för att förbättra kvalitén.
Kvalité är ett svårdefinierat ord eftersom det kan betyda olika för var och en som blir tillfrågad att beskriva ordet. I ett företag som levererar produkter till kunder är det kundens perspektiv som definierar kvalité, produkten som levereras måste leva upp till förväntningar och utlovad prestanda (Bergman
& Klefsjö 2010).
Kunden är vanligen den part som avgör om en affär kommer att genomföras eller inte. I en undersökning utförd på den indiska stålmarknaden har man sett att det viktigaste för en affärsrelation är att kunden kan verifiera stålets goda kvalité. I ”business to business”- relationer verkar relationsbyggande faktorer viktigare än beroendebaserade faktorer då det avser kontinuerliga
förhållanden mellan köpare och säljare. (Sinha & Ghoshal 1999a)Det har visat sig att erbjudande av kvalité har högst effekt på förtroendet för leverantören och att kunden vill ha kvalitén bevisad för att utveckla förtroende i relationen.
Studien kan tyckas vara ensidig då den endast behandlar köparens uppfattning och man kan även se en tendens till att köparen väljer en leverantör han redan har en bra relation(Sinha & Ghoshal 1999b).
För att vara konkurrenskraftig gäller det att hålla hög kvalité och då menas den kundupplevda kvalitén. Hos verktygsstål är det ofta lätt att mäta kvalitén i form av olika tekniska tester som bekräftar varans status, men många
faktorer kan upplevas subjektivt av kunden som exempelvis bemötandet, snabbheten av leverans och möjligheten till support efter att varan levererats.
Det gäller att förbättra kvalitén genom att bli medveten om vad olika
åtgärder kostar och hur de skulle påverka kvalitén på olika sätt. Först då man har identifierat kostnaderna kan man värdera dem mot varandra och på så sätt prioritera i vilken ordning förbättringsåtgärderna ska göras. Det är alltså inte så enkelt som att bara lägga pengar på något som höjer kvalitén, det måste även betala sig att göra en investering eller ändring ekonomiskt sett (Schiffauerova & Thomson 2006).
Kvalitetsarbete innebär inte bara att ha en tekniskt fulländad produkt. Inom flera marknader går utvecklingen mot att service efter leverans blir en allt viktigare konkurrensfaktor. Det är fallet även inom stålindustrin. I Kina har det
12
statligt ägda företaget, Sinosteel, lyckats öka sin vinst kraftigt på bara några år, genom att aktivt tillämpa utökad service. Vinsten ökade från 2,38 miljarder dollar år 2003 till 24,18 miljarder dollar år 2007. En ökad integrering mellan kund och företag skedde vilket möjliggjorde större lyhördhet för vad kunden efterfrågade. Sinosteel var år 2007 på 33de plats över listan med Kinas 500 högst rankade företag, en klättring som gjorts från plats 137 år 2004 (Hua et al.
2011). IBM är ett annat mycket tydligt exempel på en framgångsrik ändring från ett produktionsföretag till ett serviceinriktat utbud. Vinsten blev fem gånger så stor från år 2000 till 2008. Svårast vid en sådan övergång är för företaget att definiera vad service är. Det kräver att personalen i företaget får kunskap om kunden och vad kunden förväntar sig för att kunna möta denna efterfrågan (Bjurklo et al. 2009). Bjurklo(2009) som bedrivit en studie på
Uddeholms AB under införandet av företagets övergång från ett
produktionsföretag till att bli mera serviceinriktat, pekar på en del svårigheter som uppstod. All förändring tar tid och ett svårt arbete var att se till så att alla i företaget nåddes av samma information om vad kunden önskade så att man på bästa sätt kunde arbeta för att uppnå hög kundnöjdhet. Det är viktigt att förmedla till all personal vad det är man tänker göra för
förändringar och varför det är bra att göra dessa. Lyckas man sprida
budskapet väl är tillämpningen av en serviceinriktad verksamhet för kundens bästa ett verktyg att konkurrera med tillsammans med god
produktkvalitet(Bjurklo et al. 2009).
Det är viktigt att känna kunden för att kunna erbjuda det som han eller hon förväntar sig. Stålindustrin liksom många branscher påverkas av konjunkturer och det gäller att vara det första valet hos kunden för att inte bli alltför negativt påverkad då industrier går på lågvarv orsakad av
konjunkturnedgångar. Pålitlighet är en viktig aspekt, inte bara för kunden utan även för företaget som levererar. Likaväl som kunden önskar sin leverans i tid önskar leverantören få betalt innan förfallodatum. En enkel och väl
fungerande kommunikation mellan leverantör och kund är också en viktig aspekt för båda parter. Inom stålindustrin uppskattas en kort leveranstid av kunden eftersom det då möjliggör att hålla mindre lager, vilket reducerar kostnaden för bundet kapital. Verktygsstål måste naturligtvis hålla en materiellt hög kvalité eftersom det direkt påverkar kundens produktion, kostnader och utkomster. Stålindustrins kunder lägger stora pengar på inköp och därför är pris också en viktig konkurrensfaktor för hur kunden väljer sin leverantör. För att upprätthålla en långsiktig affärsrelation är den viktigaste aspekten förtroende mellan parterna vilket i sin tur leder till framgångsrika affärer med god ekonomisk utdelning (Jena et al. 2011).
13
Kostnader för kvalité är ungefär summan av de kostnader man räknat med i form av kontroller, tester för att förebygga kvalitetsbrister. Dessutom räknar man med de kostnader man inte planerat för i form av att förseningar som kanske uppstår eller att en produkt måste göras om för att den inte håller måttet(Schiffauerova & Thomson 2006).
Schiffauerova & Thomson (2006) nämner flera modeller för
kvalitetskostnadsanalys. Oftast omnämnd och tillämpad är den så kallade P- A-F-modellen där Anrold Feigenbaum presenterar sin modell redan 1943 och beskriver hur kostnader för att förebygga, uppskatta och reparera dålig kvalité kan tillämpas(James Harrington 1999). P-A-F kommer från att förkorta engelskans Prevention Appraisal Failure Liknande P-A-F-modellen är
Crosby´s(1979)modell som beskriver kostnaderna uppdelade i de som används till att få en överenstämmelse med den kvalité man har tänkt sig samt de kostnader som uppstår för att man inte uppnår den önskade
kvalitén, ungefär som ett före- och efter-tänk. I de klassiska modellerna finns en tanke att det existerar en optimal punkt för vad kvalité får kosta och
senare studier och modeller hävdar snarare att en sådan punkt inte finns. Det är enligt senare teori presenterat så att optimal kvalité bör vara där inga felaktiga varor eller felaktig service produceras. Alla kostnader som kan förebygga fel bör anses som lönsamma. Båda teorierna har anhängare och ingen tillämpning är nödvändigt felaktig, men det beror på sammanhang och tidsperspektiv vilken som är mest lämplig att tillämpa (Schiffauerova &
Thomson 2006).
En modell för kostnader av bristande kvalité´ finns beskriven 1951 av Joseph Juran(Juran & Godfrey 1999)(Bergman & Klefsjö 2010) och samma modell beskrivs av Anthony Atkinson (Atkinson et al. 2007). Kostnaderna för
kvalitetsbrister delas då upp i fyra kategorier enligt figur 2, förebyggande kostnader(prevention costs), bedömningskostnader(appraisal costs) , interna kostnader för fel(internal failure costs) och externa kostnader för fel(external failure costs). På samma sätt delade Feigenbaum upp sin modell förutom att externa och interna kostnader inte separerades. Man kan därför tvista om vem som var först och vems modell det verkligen är. Modellen används och citeras flitigt för den täcker in både dolda och synliga kostnader samt är tillämpningsbar inom olika typer av organisationer(Ólavur Christiansen 2011).
14
Figur 2) Beskrivning av uppdelning i kvalitetsbristkostnader, Juran´s modell(1951) Ett företag i produktion kan lägga så mycket som 20-30% av totala
tillverkningskostnader på kvalitetsrelaterade processer inom dessa fyra kategorier (Bergman & Klefsjö 2010)(Atkinson et al. 2007).
Förebyggande kostnader är som namnet säger de kostnader som läggs på att förhindra att fel och kvalitetsbrister uppstår. Det gäller planering,
processkontroll, certifieringar som ISO och utbildning av personal samt kontroll av underleverantörer och deras kvalitet.(Omachonu et al. 2004)
Bedömningskostnader uppstår för utvärdering i form av kvalitetstester och kontroller av produkter som både ska uppfylla företagets krav på sina leverantörer och kundernas krav på företags produkter och service som kommer att levereras (Chopra & Garg 2011).
Interna kostnader för fel uppstår då något upptäcks vara defekt innan det når kunden och kan åtgärdas. Ett produktionsstopp kan vara ett exempel på en intern felkostnad. Ju senare ett fel upptäcks på en vara i en process där värdet hela tiden stiger varefter arbete läggs på produkten eller servicen, desto dyrare blir det att åtgärda felet och vice versa. (Atkinson et al.
2007)(Omachonu et al. 2004) Externa felkostnader är kostnader som uppstår efter att en vara eller tjänst redan har levererats till kunden och är således alla kostnader som en reklamation orsakar. Ersättning av varan eller produkten, eventuell lägre tillit från kunden som kanske i framtiden väljer en konkurrens för nästa leverans och all kostnad för extra tid för arbete som reklamationen medför (Juran & Godfrey 1999).
En modell som inte är direkt kopplad till kvalitetsbristkostnader är ABC(Activity Based Costing,) men det är ett bra verktyg att identifiera kostnader och på så sätt kunna ta kontroll över dem. Det långsiktiga målet med ABC är att få bort
Prevention
Costs Appraisal Costs
Internal Failure
Costs
External Failure
Costss
15
alla aktiviteter som inte är vinstgivande, förbättra processerna och
effektivisera så mycket att endast produkter eller service utan felaktigheter kommer att tillverkas på sikt. Modellen strävar efter att finna källan till
problemet som i detta fall är kvalitetsbristkostnad (Schiffauerova & Thomson 2006)(Bergman & Klefsjö 2010).
Modeller finns också som fokuserar på processerna och att få dem så effektiva som möjligt för att minska kostnaderna för dålig kvalité. Ross
presenterade processkostnadsmodellen (1977) och den modellen användes för att reducera kvalitetsbristkostnader av Marsh (1989). Alternativkostnad nämns också i flera modeller då man fokuserar på hur mycket extra det kostar att inte direkt producera med hög kvalité. Kostnader tillkommer då man drabbas av försening, en produkt måste göras om, kunder väljer att handla med konkurrerande företag eller rentav återkallande från marknaden av dåliga produkter vilket ger en hög alternativkostnad jämfört med bra kvalité från början. Metoden med alternativkostnader har med framgång använts av företaget Xerox(Schiffauerova & Thomson 2006).
De två klassiska, men motsägelsefulla teorierna med en optimal kostnad för kvalité och ett nyare tankesätt att kvalité får kosta ända tills den är så bra att vi har noll avvikelser diskuteras av Kim & Nakhai (2008) Den klassiska PAF- modellen följer inte det dynamiska tankesätt som genomsyrar modernare modeller vilka mera är förenliga med TQM och kontinuerlig förbättring. Istället föreslås en modell där högre kvalité är detsamma som lägre kostnader. Om man strävar efter att hela tiden förbättra kvalitén kommer man aldrig nå en vändpunkt där det inte går att bli bättre. Modellen visas matematiskt och det diskuteras att området inom kvalitetskostnad ännu inte är helt utvecklat(Kim &
Nakhai 2008).
För att kunna konkurrera på lång sikt även i tider då världsekonomin upplever högkonjunkturer, eller lågkonjunkturer som vid krisen 2008 är det viktigt att finna ett sätt att skära ned kostnader utan att riskera företagets totala ekonomi och därmed existens. Kartläggning av orsaker till
kvalitetsbristkostnader är en metod som gör att man kan reducera dessa och på så sätt spara pengar på ett hållbart sätt (Soo-Jin Cheah et al. 2011).
I en fallstudie på ett företag som tillverkar plank var författarna Soo-Jin Cheah et al. delaktiga och aktiva vid införandet av en modell för att mäta och sedan minska kvalitetsbristkostnader. Företaget använde sig av ISO och önskade att inte vara toppstyrt utan att alla medarbetare skulle känna sig delaktiga i förändringen. Eftersom det system man använde sig av innan studien inte var lämpligt för att mäta dolda kostnader (som bristande kvalitet) kan orsaka i form av exempelvis vikande kundunderlag, var framförallt högste
16
chefen mycket intresserad av att se om det kunde löna sig att spåra dessa kostnader. Alla inom företaget var inte lika entusiastiska och trodde att det skulle genera mera pappersarbete och inte alls minskade kostnader, snarare ökade. Trots en del motstånd gjorde man studier av ordinarie arbetsrutiner för att se om de kunde bättras på och man hittade flera möjligheter till
förbättring. Genom planering av arbetet kunde man få ett bättre flöde och förlora mindre tid på att ställa om maskiner för olika produkter,
kommunikationen förbättrades mellan avdelningarna för att ordrar som gick ut skulle vara rätt och slippa korrigeras i efterhand. Både synliga och dolda kostnader hittades och reducerades varför det verkar vara en bra metod att följa upp källan till en kvalitetsbrist och rätta till felet redan där.
Kvalitetsbristkostnaderna i studien uppgick till 14 % av förtagets vinst och delen med dolda orsaker var större än de synliga orsakerna(Soo-Jin Cheah et al. 2011).
3.2) Stålkonsumtion
Stål både är och har varit viktigt för Sverige och här beskrivs läget idag och tillbaka till andra världskriget. Uddeholms AB med anor från 1600-talet är en av de viktiga producenterna av svenskt stål.
Stålkonsumtionen i Sverige växte från andra världskriget till mitten av 1970- talet. På grund av oljekrisen och nedgång inom varvsindustrin sjönk
förbrukningen därefter till två tredjedelar och höll sig på den nivån till 1990.
Den kraftiga lågkonjunkturen som då följde medförde ytterligare sänkning av stålförbrukningen. Sedan dess har en ökning skett av stålkonsumtionen och idag uppgår den svenska marknaden till omkring 4 miljarder ton. Enklare stål importeras till Sverige och uppgår till omkring 90 % av det stål som konsumeras i landet. Handelsfärdigt, förädlat stål som tillverkats i Sverige exporteras till 90
% och denna differens leder till en positiv handelsbalans för Sverige.
Förhållandena syns beskrivna tydligt i figur två och tre nedan. Värdet av det stål som exporteras är högre än det som importeras(Jernkontoret Stål och Stålindustri Officiell hemsida. 2011).
17
Figur 3) Sveriges stålexport 2010. Största exporten sker till andra EU-länder och därefter USA samt Kina.(Jernkontoret Stål och Stålindustri Officiell hemsida. 2011)
Figur 4) Importen av stål till Sverige sker från EU-länderna i första hand, 90% av de importerade stålet kommer från EU.(Jernkontoret Stål och Stålindustri Officiell hemsida. 2011)
3.3) Exempel på skrotbaserad framställning av verktygsstål
Produktionsprocessen startar i stålverket då en blandning av återvunnet stål, där mycket material kommer från bilindustrin eller från internt återvunnet skrot som kan vara bortkapade ändar, smälts ner i en ljusbågsugn. Elektrisk energi omsätts till värme av ljusbågar mellan elektroder och stålet som ska smältas.
Ljusbågsugn är den främsta metoden som används i dagens stålproduktion för att starta processkedjan i en skrotbaserad stålindustri (Edström 2011).
Skrotet som nämns är delvis återvunnet internt, retur från kunder i form av uttjänt material och stor del är som nämnts också spill från bilindustrin. Stålet
18
är på så vis helt återvinningsbart. I stålbadet görs också tillsatser i form av slaggbildare för att reducera syre och rena smältan. Dessa slaggtillsatser består ofta av CaO, MgO och SiO2(Jesperson 2011).
Efter smältningen som tar omkring tre timmar hälls smältan i en skänk och det görs redan här en kemisk analys av smältan för att kontrollera den kemiska sammansättningen och kombinera med rätt tillsatser av legeringsämnen för respektive stålsort. Vid tappningen i skänken tas även den syrerika slagg bort som skyddat smältan och hjälpt till att lösa oönskade ämnen. I nästa steg, skänkugnen görs de tillsatser som behövs för att få rätt kemiska
sammansättning i form av järnlegeringar och för rening tillsätts nya slaggbildare(MgO, Al2O3 och CaO)(Jesperson 2011). Värmningen i skänkugnen sker med hjälp av elektroder.
Vid vakuumstationen utsätts smältan för partiellt undertryck och underifrån tillsätts argongas. På så sätt reduceras halten av gasformiga element som väte och kväve. Svavelhalten reduceras genom en kemisk reaktion med slaggen. För att hela smältan skall komma i kontakt med slaggen rörs den om med hjälp av induktion och gas. Då önskade nivåer av väte, kväve, svavel och legeringsämnen nåtts samt smältan håller rätt temperatur gjuter man stålet i stora gjutformar, kokiller. För att stålet ska bli så homogent som möjligt och minimera mängden inneslutningar används isolerad stiggjutning där smältan fyller kokillerna underifrån.
De stål som behandlas i denna rapport genomgår även en ESR-omsmältning, Elektro Slagg Raffinering2. Göten fungerar som elektroder och hög strömstyrka används för att få stålet att droppvis smälta igen och passera ett kemiskt renande slaggbad. Den reaktion som sker mellan slaggen och de små ståldropparna reducerar svavelhalten och mängden stora inneslutningar.
Göten som byggs upp ur ESR-behandlingen stelnar snabbt och homogent vilket ger en fin struktur med hög homogenitet, fritt från stora segringar och stålet får därför mycket goda mekaniska egenskaper. För att säkra kvalitén tas nya prover här på den kemiska sammansättningen av stålet för att
kontrollera att det kommer att få de önskade egenskaper som karaktäriserar respektive stålsort.
Efter ESR-behandlingen fortsätter stålet till smide eller varmvalsning.
Slutförädlingen av stålet sker genom speciella värmebehandlingsmetoder för att förädla strukturen ytterligare och optimera egenskaperna. Innan stålet levereras till kund genomgår det föreskriven provning, bland andra
slagseghet, för att kontrollera så att alla uppställda krav uppfylls. Provningen
2 Ordlista, Bilaga 1
19
varierar med vilken stålsort som ska levereras och kundens egna krav(Uddeholms AB 2011)(Roberts et al. 1998).
Figur 5) Illustrerar konventionell ståltillverkning av ESR-stål.(Uddeholms AB 2011)
3.4) Kvalitetsarbete
Uddeholms ABs produkter säljs normalt till kund genom ett stort antal
försäljningsbolag över hela världen. Stor vikt läggs vid kvalité och det är för företaget ett honnörsord som omnämns i beskrivningen av affärsidén. Inte bara stålets kvalité inbegrips här utan även den tekniska kunskapen, det bästa kundbemötandet, en hög leveranssäkerhet och lokalt kvalificerad teknisk rådgivning blir i kombination med högsta kvalité på produkten en total styrka hos företaget var i världen kunden än befinner sig. Kunderna kan vara olika typer av produktionsföretag där verktygsstål används i tillverkning av exempelvis bildelar, mobiltelefoner, tandborstar eller CD-skivor.
För att visa att kvalité verkligen är viktigt används flera certifieringar och
trygghetsgarantier för att försäkra kunden om att hans krav på kvalité uppfylls.
Uddeholms AB är kvalitetssäkrat enligt ISO 9001: 2008 och miljösäkrade enligt ISO 14001: 2004 (ISO International Organization for Standardization. 2011).
Normpack, en svensk materialnorm för material som kommer i kontakt med livsmedel tillämpas (Innventia, Normpack. 2011). Allmänna
leveransbestämmelser, ALBIF 2000 följs.
20
Utöver dessa finns Uddeholms ABs egna försäljningsvillkor samt TOOL SAFE®
som är en utökad trygghetsgaranti för kunden. ”TOOL SAFE® garantin innebär att Uddeholm Svenska AB åtar sig att i händelse av konstaterade materialfel, ersätta köparen dennes nedlagda direkta kostnader, strikt hänförliga till bearbetning av det felaktiga materialet. Garantin ger en ekonomisk ersättning, som utgår med högst 12 ggr fakturabeloppet. Köparen ersätts dessutom med nytt material”(Uddeholms AB 2011).
Kvalitetssäkring med hjälp av ISO 9001: 2008 och ISO 14001: 2004 hjälper företagsledningen att uppnå de mål som satts upp inom både kvalité och miljö. Standardiseringen blir ett verktyg som kompletterar andra uppsatta mål inom en organisation såsom tillväxt, finansiering, miljöaspekter, hälsa och säkerhet. De olika delarna av ledarskap kan integreras i kvalitetsarbetet till att bli ett enda system för ledning i företaget vilket underlättar planering och resurshantering som i sin tur leder till effektivitet(Bergman & Klefsjö 2010).
Kvalitetsarbetet är omfattande på Uddeholms AB och man jobbar med kontinuerlig utvärdering och förbättring genom omfattande kontroller och uppföljning av avvikelser 3. Stålen måste godkännas innan leverans och skulle något medföra ett underkännande av stålet upprättas en avvikelserapport.
Kassationer och utbyte(hur stor procent av ursprungssmältan som blir leveransklart stål) noteras och utreds. En minskning av kassationer med 1 % innebär en besparing på 6-10 miljoner kr. Utifrån avvikelserapporter, utbytes och kassationsstatistik upprättas en prioriteringslista med tio punkter som är en utgångspunkt för att bedöma i vilken ordning man vill gå vidare med
förbättringsarbete och korrigerande åtgärder för att undvika liknande avvikelser i framtiden. Både processutveckling av befintliga och nya
produkter och aktuella flödesproblem inom organisationen är en del av detta arbete.
Måluppföljning tillämpas för olika plan i organisationen som exempelvis stålsort, flöden och reklamationshantering. Verksamhetsmål sätts upp utifrån företagets långsiktiga, femårsstrategi och krav från ägarna. De långsiktiga verksamhetsmålen bryts ner till årliga mål för alla delar av organisationen.
Kraven Uddeholms AB har internt på sina stål är högre än officiella standarder och finns angivna i respektive specifikation för stålsorterna. Samma tankesätt som i ”total quality management” används, se figur 6, men man har anpassat det för att det ska passa med företaget och produktionen av stål.
3 Maria Norberg, Uddeholms AB, Intervju den 1/9 2011.
21
Figur 6)Sammanfattningsvis kan kvalitetsarbetet på Uddeholms AB beskrivas som bilden visar.
3.5) Slagseghetsprovning av stål, Charpy-V-test.
De brottytor som studerats i arbetet kommer från provstavar som slagits av i slagprovhejare. Provningen görs på provstavar med ett V-format spår i 45°
vinkel med ett djup av 2 mm. Stavens ändar är 10*10 mm i fyrkant och den är 55 mm lång. Provet placeras på ett stöd och en pendel med en vikt
släpps(automatiskt) från en given höjd och energin som förloras då pendeln slår av provet är ett mått på provets slagseghet (Askeland & Phulʹe 2005). Vid provning av olika parametrars inverkan på slagsegheten kan temperaturen vara exempel på en sådan parameter samt andra variationer i
värmebehandling av stålet. I detta arbete ingår endast prov som testas i rumstemperatur. Samtliga prover som har testats är tillverkade efter order av kund och provningen av slagseghet är ett av många steg för att säkerställa materialkvalitén.
Planera
Genomför
Utvärdera Säkerställ
22
Figur 7) Illustration av slagseghetsprovning med Charpy-V -stavar. Bild hämtad från;
http://twi.co.uk
Varje Uddeholmsstål har en produktbroschyr som beskriver vilka kvalitetskrav respektive stål uppfyller. En mängd olika tester och kemiska analyser utförs innan stålet är leveransklart. Beroende på användningsområde skiljer det sig åt vilken standard som följs. Slagsegheten anges i hur många joule som
provstaven har kunnat stå emot innan den gått av. Av de fyra stål som ingår i denna studie har Orvar Supreme lägst krav på sig med sina 11 J i
medelvärde(8,5 J för en enskild provstav) medan Deivar och Vidar Superior ska klara 11 J i medelvärde för provserien (15 J för enskild provstav)för att bli godkända.
Kostnader för provning blir del av kvalitetsbristkostnaden, enligt Juran´s modell en så kallad ”appraisal cost”(Juran & Godfrey 1999) vilket på svenska blir kostnader för bedömning, inspektioner och tester innan man levererar sin vara eller produkt. Kostnaden kan också kallas förebyggande eftersom man förebygger att kvalitén blir dålig genom att hela tiden kontrollera resultatet man producerar.
23
3.6) Stål som ingått i arbetet.
Fyra stål från Uddeholms AB har ingått i studien och samtliga är så kallade varmarbetsstål. Det betyder att de i första hand är avsedda för arbete i miljöer med hög temperatur där höga påfrestningar uppstår på verktyget.
Användningsområdena är exempelvis pressgjutning då verktygsstålet bildar den form som exempelvis aluminiumprodukter kan gjutas i, smide och
extrusion av både plast och metall där verktygsstålet skapar en profil på den produkt som trycks igenom det. För att klara av den typen av användning ställs höga krav på stålets egenskaper där slagseghet är den som behandlas i detta arbete. Slagsegheten beskriver materialets förmåga att motstå en yttre last som hastigt träffar det. Andra viktiga egenskaper är att tåla deformation utan att brista(duktilitet), lång livslängd tack vare nötningsbeständighet, hårdhet för att motstå yttre påfrestningar som angriper ytan fysiskt, tåla temperaturväxlingar tack vare god varmhållfasthet och
anlöpningsbeständighet4. Samtliga egenskaper förlänger verktygets livslängd och ökar dess kvalité. Eftersom verktygsstålen används i många olika industrier som tillverkar produkter, såsom bilindustrin, mobiltelefoner, CD-skivor, med vanligen slimmade produktionskedjor är hög kvalité av största vikt för att kunna förutse hur länge man exempelvis kan gjuta plasttandborstar i en form innan den måste bytas ut. Oförutsedda stopp i en produktionsindustri leder snabbt till oönskade och stora kostnader(Peters & Jill Austin 1995).
Varmarbetsstålen är ofta legerade med volfram, krom, vanadin och
molybden samt har relativt låg kolhalt, genomsnittligen 0,3-0,5 viktprocent.
Legeringsämnena ger hög värmehållfasthet i stålet som motstår påfrestningar vid höga temperaturer och ger hög härdbarhet, stålet kan svalna i luft efter autentisering för att omvandlas till martensit. Andelen legeringsämnen för respektive stålsort som ingår i arbetet presenteras i tabell 1. Hållfastheten vid de höga temperaturerna fås i materialet på grund av bildningen av
sekundära anlöpningskarbider i stålets mikrostruktur under anlöpning vid hög temperatur. Beroende av legeringsämnen kan olika typer av karbider bildas (Roberts et al. 1998; Honeycombe 1995).
Proverna som slagseghetstestas är uttagna från centrum av stång där provstavarnas längdriktning är parallell med stångens tjockleksriktning och slagriktningen är parallell med stångens tvärriktning. All provning av
slagseghet innan leverans sker i rumstemperatur.
4 Ordlista, Biloaga 1.
24
Tabell 1) Kemisk sammansättning för huvudämnen i de stål som ingår i examensarbetet.
Riktanalys
(viktprocent) C Si Mn Cr Mo V Uddeholm Dievar
0,35 0,2 0,5 5,0 2,3 0,6 Uddeholm Orvar Superior
0,39 1,0 0,4 5,2 1,4 0,9 Uddeholm Orvar Supreme
0,39 1,0 0,4 5,2 1,4 0,9 Uddeholm Vidar Superior 0,36 0,3 0,3 5,0 1,3 0,5
3.6.1) Uddeholm Dievar
Dievar´s egenskaper gör stålet lämpligt för att gjuta produkter i aluminium och andra metaller (pressgjutning) där formar i Dievar uppfyller höga krav, smidning och strängpressning där Dievar är ett utmärkt val av verktygsstål.
Stålet har mycket god både slagseghet och värmebeständighet vilket ger god beständighet mot sprickbildning på ytan, genomgående sprickbildning, plastisk deformation och varmnötning. Proverna för slagseghet har härdats vi 1020 °C, kylts i olja och anlöpts två gånger i två timmar vid 610 °C till
hårdheten 44-46 HRC. För godkänt slagseghetsprov krävs för enskild provstav att den står emot ett slag från minst 15 J och medelvärdet för provserien måste vara på minst19 J (Produktbroschyr UDDEHOLM DIEVAR, version 3.
2010).
3.6.2) Uddeholm Orvar Superior
Orvar Superior har särskilt tagits fram för att uppfylla nordamerikanska krav på högkvalitativt stål. De goda mekaniska egenskaperna är värdefulla i verktyg som utsätts för hög mekanisk och termisk utmattning, till exempel
pressgjutning, smidesverktyg och strängpressning.Stålet har god
motståndskraft mot termisk utmattning och termisk chock, hållfastheten är god vid höga temperaturer och materialet har utmärkt seghet och duktilitet i alla riktningar. Polerbarhet och skärbarhet är god liksom
dimensionsstabiliteten vid härdning. I praktiken kan verktygen användas vid något högre arbetshårdheter (1 till 2 HRC) utan förlust av seghet Proverna har innan slagseghetstest härdats vi 1030 °C i 30 minuter, kylts i olja och anlöpts två gånger i två timmar vid 610 °C till hårdheten 44-46 HRC. För godkänt slagseghetsprov krävs för enskild provstav minst 11 J och medelvärde på minst 14 J (Produktbroschyr UDDEHOLM ORVAR SUPERIOR, version 1. 2004).
25 3.6.3) Uddeholm Orvar Supreme
Användningsområdena är till exempel pressgjutning, smidesverktyg och strängpressning. Stålet får med hjälp av speciella tillverkningsmetoder och noggrann kontroll en mycket hög renhet och finkornig struktur. Uppfyller liksom Uddeholm Orvar Superior kraven i Nordamerika enligt NADCA 207-2006 för verktygsstål typ H 13 premium. Behandlingen av stålet innan
slagseghetsprovning är densamma som för Orvar Superior och för godkänt slagseghetsprov krävs för enskild provstav minst 8,5 J och medelvärde på minst 11 J (Produktbroschyr UDDEHOLM ORVAR SUPREME, version 5. 2008).
3.6.4) Uddeholm Vidar Superior
Stålet passar utmärkt där hög seghet behövs, som vid pressgjutning och smidesverktyg samt vid formsprutning av plastprodukter. Uddeholm Vidar Superior hör till den nya generationens stål med låg kiselhalt. För godkänt slagseghetsprov krävs för enskild provstav minst 15 J och medelvärde på minst 19 J (Produktbroschyr UDDEHOLM VIDAR SUPERIOR, version 3. 2010).
26
3.7) Svepelektronmikroskop(SEM)
I kvalitetsarbetet säkras att de krav som ställs på ett stål eller annan produkt som kan produceras uppfylla. Observationer i svepelektronmikroskop
möjliggör att i stål se dess struktur i hög förstoring och det är ett viktigt verktyg i kvalitetsarbetet.
Mikroskopi är ett hjälpmedel inom många vetenskapliga fält och
användningsområdena växer i takt med att utvecklingen framskrider. På forskning och utvecklingsavdelningen I Uddeholm används SEM både till produktutveckling, forskning och även av kundtjänst som en del av
kvalitetssäkring i eftersäljarbete. SEM kan användas för att studera brottytor, polerade ytor eller vilken detalj man nu vill fokusera på. Det är möjligt att få en tydlig bild i mycket högre förstoring än med ljusmikroskop. Att kunna hitta orsaker till materialfel är en viktig del i kvalitetsarbete. Vid framtagning av nya material eller då man undersöker hur olika värmebehandlingar påverkar stålstrukturen är SEM ett mycket bra instrument.
Kostnaderna som SEM-användningen medför kommer att hamna i kategorin för både förebyggande och kontrollerande kostnader innan man upptäcker något fel. Om man istället tänker på kostnaderna som orsakas av ett externt eller internt fel hamnar man istället i en annan kategori enligt Jurans modell (Juran & Godfrey 1999).
De första svepelektronmikroskopen i historien beskrevs 1935 av Knoll och von Ardenne i Tyskland, men man lyckades först 1948 att i Oxford, England bygga ett fungerande svepelektronmikroskop. I mikroskopet genereras elektroner med en elektronkanon vilket illustreras i figur 8.
Figur 8) Schematisk bild över hur ett svepelektronmikroskop generellt är uppbyggt.
Bild hämtad från(Hogmark 1989)
27
Elektronerna fokuseras i magnetiska linser till en smal och spetsig stråle med en diameter ned till ca 10 Å. Strålen sveper med hjälp av magnetisk avlänkning i ett rektangulärt linjemönster över den del av provet som ska avbildas.
Då provet som ska observeras har placerats i SEMets kammare måste man fokusera bilden för att kunna se brottytan. Fokusering sker genom att vrida fokuseringslinsen så att endast en liten fläck på ytan bestrålas av
elektronerna, man reglerar fokuseringslinsen så att avståndet till fokus
optimeras. Ofta är fokus förinställt på en viss höjd och man reglerar då provet så det kommer på rätt avstånd ifrån linsen. (se figur 7) Därefter ställs
kontrasten in för att få en tydlig bild på skärmen av det som elektronstrålen läser av. Olika delar av ytan ger olika stark signal och detta gör att vi kan se en bild på skärmen som visar topografi som skuggor och ljus.
Då elektronerna träffar provytan tränger de olika långt in i ytan beroende på vilka ämnen de stöter på, se figur 9. Kollisionerna som elektronerna startar då de träffar provytan och kolliderar med andra elektroner får en del av dem att spridas bakåt, ut från provytan. De kallas bakåtspridda elektroner. Elektroner som blir kvar inne i provet efter att ha kolliderat kallas för absorberade
elektroner. De elektroner som sprids i provet medan delar av deras
rörelseenergi konsumeras möjliggör jonisation, vilket betyder frigörande av ytterligare en elektron. Valenselektroner har alltså tvingats från sin plats av de inkommande elektronerna. Dessa elektroner får mycket låg rörelseenergi och är de man kallar för sekundärelektroner utav vilka en del lyckas ta sig tillbaka ut genom provytan. Sekundärelektroner kan slås ut både då elektronerna först träffar atomerna eller på deras väg ut igen, så länge de har tillräcklig energi.
Figur 9) Elektronerna fördelas på olika sätt då de träffar provytan.
28
Precis som då man belyser ett område med ficklampa i mörker så får man områden som hamnar i skugga på grund av topografin. Strålen av elektroner når inte fram och då kan de heller inte läsas av med detektorn. De elektroner som skickas mot provet från elektronkanonen har en laddning på cirka 20 keV. Analysfunktionerna för att kartlägga vilka ämnen som finns i en punkt eller ett område bygger på röntgenstrålning som bildas vid växelverkan mellan elektronstrålen och provet som analyseras. De utifrån tillförda
elektronerna påverkar elektronerna i atomernas skal och beroende på hur mycket energi som frigörs då elektronerna ”byter plats” kan analyser göras av vilka ämnen som provet består av.
Två olika detektorer har använts i detta arbete varav den ena läser av sekundärelektronerna(Everhart Thornley detektor) och den andra de
bakåtspridda elektronerna(Back scattered electron detector). Avbildningen på skärmen visar vid användning av sekundärelektrondetektion tydligast upp topografin och man kan urskilja förhöjningar och fördjupningar i brottytan som studeras. Används istället detektorn för de bakåtspridda elektronerna får man istället en bild som gör det möjligt att urskilja olika ämnen. Tack vare skillnader i medelatomnummer ser man de tyngre grundämnena som ljusare i bild eftersom de emitterar fler elektroner. Lättare ämnen blir istället mörkare på skärmen. Beroende på hur avgränsade ämnena är från varandra så blir bilden olika i sin kontrast mellan ämnena. I figurerna nedan visas
inneslutningar som analyserats som aluminiumoxider. De syns, om detektorn för bakåtspridda elektroner används, som tydligt mörkare än grundmassan omkring dem, se figur 10.
Figur 10) SEM-bild med ETD-detektor som avläser sekundärelektroner till vänster och till höger SEM-bild med BSED-detektor som avläser bakåtspridda elektroner.
Sedan det första svepelektronmikroskopet uppfanns har utvecklingen gått snabbt och har blivit ett viktigt och väl använt instrument genom förmågan att återge bilder av prov samt analysera dess kemiska sammansättningar (Newbury & Williams 2000).
29
4)Resultat av kvalitetsbrister och kostnader kopplade till låg slagseghet.
Kostnaderna för brister i slagseghet hamnar i flera kategorier om man följer modellen som Aktinson och Juran med flera använder sig utav.
Förebyggande kostnader är de som läggs på att förhindra fel, exempelvis noggranna, metodiska processer och kontroller i alla tillverkningssteg.
Utveckling av produkter för att förädla och förbättra både processer och produkter. Kostnader uppkommer då ett prov underkänns eftersom det då kanske medför att en helt ny produktionsprocess måste sättas igång eller den tid och andra resurser som omprövning medför (Juran & Godfrey 1999;
Atkinson et al. 2007).
Figur 11) Beskrivning av modell för kvalitetsbristkostnader.
4.1) Utbyte och kassationer.
Detta arbete har fokuserat på slagsegheten som parameter för att kunna studera det i detalj och se hur stora besparingar som kan göras om kvaliteten på slagseghet förbättrades. Slagsegheten är viktig för kunden i kombination med andra materialegenskaper som säkrar en lång livslängd och ett felfritt resultat då man exempelvis pressar ut dörrar som används i nya bilar.
Det finns förutom slagsegheten många andra orsaker till ett eventuellt
underkännande av en produkt och det man strävar efter är att få ett så högt utbyte som möjligt och så liten kassationsmängd som möjligt. Utbyte mellan 60-70% räknas som bra och normalt. Siffran kan tyckas låg, men utbytet beräknas genom att dividera vikten av färdigt material med vikten för det ursprungliga götet. Det är i verkligheten omöjligt att uppnå 100 % utbyte
Prevention
Costs Appraisal
Costs
Internal Failure
Costs
External Failure Costss
