Djupkylningens inverkan på struktur och egenskaper för stålsorterna SS716 och Flap-X

Transkript

1 Djupkylningens inverkan på struktur och egenskaper för stålsorterna SS716 och Flap-X Karl Myrsell Högskoleingenjör, Materialteknik 2018 Luleå tekniska universitet Institutionen för teknikvetenskap och matematik

2 Förord Detta examensarbete utgör den avslutande delen av högskoleingenjörsprogrammet Materialteknik med inriktning metallurgi. Examensarbetet omfattar 15hp och har utförts i samband voestalpine Precision Strip i Munkfors under våren Arbetet har skett på begäran av voestalpine och har till största del bedrivits i Munkfors samt på Bergskolan i Filipstad. Jag skulle först och främst vilja tacka Chris Millward och Tomas Nordqvist vilka egentligen är anledningarna till att denna rapport överhuvudtaget finns till. Stort tack från min sida att med kort varsel ha fått möjligheten att genomföra mitt examensjobb hos voestalpine Precision Strip. Jag skulle även vilja rikta ett stort tack till Alexander Löf och Gunnar Englund från voestalpine som hjälpt till med allt från provurtag till mikroskopering. Stort tack till min handledare, Jörgen Andersson, som hjälpt till med vissa experiment i rapporten och även som bollplank under hela examensarbetet. Ännu ett tack till Maria Kvarnström som varit en stor tillgång vid de försök som utförts på Bergskolan och även som svar på alla mina frågor. Slutligen skulle jag vilja rikta ett stort tack till all personal på Bergsskolan till funnits där under min studietid. Det sägs att Bergsskolan är den lilla skolan med familjär känsla och jag kan inte annat än att hålla med! Filipstad den 26 maj 2017 Karl Myrsell i

3 Sammanfattning Konkurrensen inom stålbranschen blir allt hårdare och för att stanna i toppsegmentet krävs innovation och ständiga förbättringar. Då höglegerade stål såsom rostfria stål kyls till rumstemperatur passeras inte temperaturen för fullständig martensitbildning. Genom att använda flytande kväve kan temperaturen sänkas så lågt som till -196 C. Således kan andelen martensit i provet ökas samtidigt som andelen austenit minskar. I detta examensarbete undersöks hur djupkylning med flytande kväve påverkar stålsorterna Flap-X och SS716 gentemot kylning till rumstemperatur. Målet med arbetet är att genom ett antal olika testmetoder kartlägga djupkylningens inverkan på stålens mekaniska egenskaper och ge underlag till en eventuell investering. Temperaturer och tider för värmebehandling är hämtade ur voestalpine precision strips tillverkning i Munkfors för att kunna simuleras med fullgott resultat. De olika tester som utfördes var hårdhetsmätning med Vickersmetoden, dragprov, utvärdering av mikrostruktur i laserkonfokalmikroskop samt restaustenitmätning med röntgendiffraktometer. Testerna har utförts vid voestalpine i Munkfors, Bergsskolan i Filipstad samt vid Uddeholm i Hagfors. Testresultaten visar en trend till att materialen uppnår en högre hårdhet och lägre halter av restaustenit vid djupkylning. Flap-X uppvisar även viss ökning av sträckgräns samt brottgräns vid djupkylning. SS716 visar ingen ökning av vare sig sträckgräns eller brottgräns. I den mikrostrukturanalys som utfördes av de båda stålen kunde inga större skillnader påvisas mellan djupkylda prov respektive ej djupkylda. Testresultaten ska beaktas som en trend på grund utav statistiskt osäkra värden och omständigheter vid provning såsom inverkan av textur på restaustenitmängden vid röntgenundersökning. ii

4 Abstract The competition between steel industries is getting tougher with many companies producing high-quality steels so innovation and continuous improvements are required to stay in the top segment. When highly alloyed steels like stainless steels are cooled to room temperature the temperature for completion of martensite transformation is in most cases not reached. By using liquid nitrogen, the temperature can be lowered to as low as -196 C. Thus, the amount of martensite can be increased at the same time as the retained austenite level decreases. This thesis examines how deep cooling with liquid nitrogen affects the Flap-X and SS716 steel grades in comparison with cooling till room temperature. The aim of this thesis is to determinate the influence of deep cooling on SS716 and Flap-X steel grades and provide basic data for a possible investment. Temperatures and times for heat treatment are taken from voestalpine precision strip in Munkfors and then converted into values that can be simulated with good results. The various tests performed included hardness-testing with Vickers method, tensile testing, microstructure evaluation with laser-confocal microscope and retained austenite level measurement with X-ray diffractometer. The tests have been carried out at voestalpine in Munkfors, Bergsskolan in Filipstad and Uddeholm in Hagfors. The tests indicate that deep cooling increases the hardness and lowers the retained austenite level of both materials. Flap-X does also show an increase in yield strength and ultimate strength with deep cooling in comparison with cooling to room temperature. SS716 does not show any noticeable difference in yield strength or ultimate strength between deep cooled and normally cooled samples. The microstructure analysis that was performed on both steels did not show any major differences between deep cooled and non-deep cooled samples. The overall test results should be considered as an indication due to statistical un-certain values and various circumstances during testing such as influence of texture formation on the retained austenite analyzed with X-ray diffractometer. iii

5 Innehållsförteckning Förord... i Sammanfattning... ii Abstract... iii 1 Inledning Bakgrund Syfte Mål Avgränsningar Målgrupp Teoretisk bakgrund Stål En översikt Rostfria stål Processbeskrivning av nuvarande flöde Anlöpning Martensit Martensitens egenskaper Austenit Kryobehandling Utvärdering av värmebehandling Hårdhet Dragprov Restaustenitmätning Metod Provberedning initial mikrostruktur samt dilatometer Draghållfasthet Utvärdering i mikroskop Hårdhetsmätning Röntgendiffraktometer Resultat Utgångsstruktur Hårdhetsmätning Dilatometer... 18

6 4.4 Dragprov Röntgendiffraktion Koboltstrålning Kromstrålning Mikrostruktur Diskussion Slutsats Fortsatt arbete Referenser Bilagor Bilaga 1 Förklaring av intensitetstoppar Bilaga 2 Höjdmap ej djupkylda prover... 33

7 1 Inledning Det har länge varit väl känt att ett svärds egenskaper kan förbättras genom att det värms upp och därefter släcks i vatten. Detta fenomen kom redan de gamla grekerna och romarna på under antiken. Under medeltiden fortsatte de att härda stålprodukter, det uppstod då en härdningsmekanism som de inte kunde förstå orsaken bakom. Det var först på slutet av 1800-talet som förståelsen började träda fram, där kom de fram till att härdbarheten berodde på kolhalten samt lade grunden till vad vi idag kallar för sätthärdning. I början på 1900-talet kom djupare förståelse att växa fram då pionjärer såsom Martens, Roberts-Austen och även Bain kunde förklara vad som händer vid härdning. Dessa namn är något som idag förknippas med de olika strukturbeståndsdelarna i stål, Martensit, Austenit samt Bainit. Från 1900-talet har utvecklingen gått framåt vad gäller kunskapen om stål och dess egenskaper. Avancerade tekniker såsom kryobehandling, mikroskopering genom olika metoder samt dilatometri är exempel på tekniker som vidareutvecklats under senare tid [1]. voestalpine Precision Strip AB är en produktionsenhet i Munkfors vilken tillhör koncernen voestalpine. Antalet anställda uppgår till ungefär 260 stycken och omsättningen motsvarade 480 miljoner svenska kronor år Deras främsta produkter är tunna kallvalsade rostfria band vilka produceras med stor noggrannhet s.k. precisionsstål. Produkterna som tillverkas av deras stål är exempelvis ventiler till kylskåp samt nålar till textilindustrin [2]. Då voestalpine Precision Strip valsat ner banden till önskad dimension värmebehandlas de för bästa egenskaper. I dagens läge härdar voestalpine Precision Strip banden genom att värma upp dem, låta dem passera ett blybad för att komma ner i temperatur och därefter kyla dem mellan två vattenkylda kopparplattor. Det som har undersökts i detta examensarbete är om det går att förbättra stålets mekaniska egenskaper ytterligare genom kryobehandling, det skulle alltså innebära en process där stålet istället för att kylas till 20 C genom vattenkylda plattor, kyls till -196 C med hjälp av flytande kväve. För att utvärdera denna metod har två försök gjorts i labbskala, ett försök där provet framställs enligt principen som används idag samt ett prov där stålet kryobehandlats. Således kan slutsatser dras angående kryobehandlingens inverkan på stålets egenskaper samt struktur. 1

8 1.1 Bakgrund På senare tid har konkurrensen inom stålbranschen blivit allt hårdare. Svenska stål är allmänt kända för att hålla god kvalité men att Sverige inte riktigt har resurserna för att producera stål i bulk. Således medför det att kvalitén på stålet blir än viktigare. Den ökade kunskapen om materials beteende och dess mekaniska egenskaper är en viktig del för att kunna producera ett ledande stål. voestalpine är ett företag vars vision är att ge deras kunder ett stål som ligger steget före. Kryobehandling kan vara ett exempel på en process vilken förbättrar stålets egenskaper. Genom ett bättre stål så ökas dess önskvärda egenskaper samt även dess livslängd vilket bidrar till ett bättre stål ur miljöperspektiv. 1.2 Syfte Syftet med arbetet är att undersöka kryobehandlingens inverkan på de mekaniska egenskaperna samt restaustenithalten. Studien skall genomföras för att ge underlag om det finns behov att investera i utrustning för att bedriva kryobehandling av stål. Arbetet kommer till största del att bedrivas på voestalpine Precision Strip samt Bergsskolan. 1.3 Mål Målet med denna rapport är att kartlägga kryobehandlingens inverkan på stålsorterna SS716 respektive Flap-X samt påvisa skillnader i draghållfasthet, hårdhet, struktur restaustenithalt gentemot den metod som de använder idag. 1.4 Avgränsningar Examensarbetet avgränsas till att endast beröra stålsorterna SS716 samt Flap-X och enbart kryobehandlingens inverkan. Några tester på omgivande parametrar såsom autstenitiseringstemperatur eller anlöpningstemperatur kommer inte att genomföras. 1.5 Målgrupp Denna rapport riktar sig mot personer i material- och stålbranschen. Kunskap inom materiallära och värmebehandling anses fördelaktiga. 2

9 2 Teoretisk bakgrund 2.1 Stål En översikt Rent stål består av en förening mellan järn och kol, till detta tillsätts ofta andra grundämnen för att ytterligare höja eller påverka stålets egenskaper. Grundämnen består av atomer och beroende på hur dessa arrangerar sig i stålet kan olika egenskaper fås. Stål har vid rumstemperatur vanligtvis en atomordning som benämns kubiskt rymdcentrerat gitter om stålet inte påverkats genom värmebehandling eller innehåller stora mängder legeringsämnen. Vid högre temperaturer då stålet övergår till austenitfas kommer även atomordningen ändras till ett ytcentrerat gitter. I austenitfas har kol en mycket större löslighet vilket ger möjligheten att lösa in kolet och andra legeringsämnen i grundmasssan. Detta beror på hålradien i gittret där det ytcentrerade gittret har ungefär tre gånger så stor hålradie [3]. Kyls därefter grundmassan snabbt så ges ingen möjlighet för kolet att lämna grundmassan utan blir tvångsinlöst i strukturen. Detta ger ett hårdhetsbidrag och är i många fall önskvärt för att stålet ska få förbättrade egenskaper för dess ändamål [1]. En översiktsbild över olika härdningsmetoder kan ses i Figur 1, det inringade området visar intresseområdet för detta examensarbete. Figur 1. Översiktbild över olika härdningsmetoder. (Bildkälla: [1]) 3

10 2.1.1 Rostfria stål Stål kan delas in i olika grupper efter deras användningsområde. Utmärkande för rostfria/rosttröga stål är att de har en hög kromhalt, vilken överstiger 12%. Denna höga kromhalt bidrar till att skapa en hinna på stålet som skyddar stålet från vidare korrosion. Som tidigare nämnts har atomstrukturen en väsentlig betydelse för stålets egenskaper varav de rostfria stålen består av följande grupper: ferritiska, martensitiska, ferrit-austenitiska, austenitiska samt utskiljningshärdade stål. Vilken fas som stålet får beror på stålets sammansättning. Symboliskt för martensitiska rostfria stål är att de beter sig som ett kolstål dvs. att de är härdbara och kan värmebehandlas [4]. De material som undersökts i detta arbete är martensitiska och deras sammansättningar kan ses i Tabell 1. Tabell 1. Kemisk sammansättning i viktprocent för Flap-x respektive SS716. (vissa element har utelämnats) Stålkvalite C Si Mn Cr Mo Ni P S Flap-X SS Processbeskrivning av nuvarande flöde Härdning utförs genom att stålet värms upp så att det får en helt austenitisk struktur, detta innebär att karbider löses upp och kol samt andra legeringsämnen löses in i grundmassan. Detta infaller omkring 900 C för mer legerade stål då austenitiseringstemperaturen är direkt kopplad till stålets kemiska sammansättning. Efter austenitisering tas temperaturen ned genom att bandet får passera ett blybad samt oljebad. Detta är nödvändigt då voestalpine även tillverkar mer låglegerade kolstål vilka snabbt bildar ferrit/perlit vid kontakt med luft. Bandet skulle även förlora dess form om det finns temperaturgradienter i stålet, då tunna band ej kan ta upp stora spänningar. Stålet går vidare och kyls mellan två vattenkylda kopparplattor innan det passerar två stora anlöpningsplattor, vars syfte är att jämna ut temperaturen innan stålet anlöps och slutligen kyls. Förloppet framgår i Figur 2. Figur 2. Härdförloppet vid voestalpine precision strips tillverkning. (Bildkälla: Karl Myrsell) 4

11 2.3 Anlöpning Efter martensitbildning måste stålet anlöpas för att återfå en del seghet på bekostnad av hårdhet. Genom att anpassa anlöpningsprocessen kan ett stål med önskad seghet respektive hårdhet uppnås. Anlöpningsprocessen kan delas upp i olika huvudgrupper med avseende på temperatur: - Lågtemperaturanlöpning ~ C - Högtemperaturanlöpning ~ C Lågtemperaturanlöpning utförs för att dels få materialet att slappna av dvs. lösa ut de största spänningarna samt för att stabilisera strukturen efter härdning. Segheten återfås genom att kol tas ut ur martensitstrukturen och bildar små karbidpartiklar eller diffunderar ut till den kvarvarande austeniten. Den mängd austenit som inte slår om till martensit vid härdning, den s.k. restausteniten, sönderfaller/stabiliseras under anlöpning. Restaustenitandelen påverkas genom val av anlöpningstemperatur, högre temperatur medför lägre halter av restaustenit, även anlöpningstiden inverkar. Hänsyn skall dock tas till martensitsönderfallet vid högre anlöpningstemperaturer då högre temperaturer ger stålet en lägre hårdhet [5]. 2.4 Martensit Då ett stål släcks från austenitområdet kommer martensit att bildas om släckningen går tillräckligt fort. Martensit fås genom en diffusionslös omvandling vilket betyder att austenitens tendens att omvandlas är så stark så att det sker utan diffusion [1]. Martensitbildningen kommer att pågå så länge temperaturen sjunker och upphöra vid en temperatur, Mf, den temperatur då materialet är helt martensitiskt frånsett eventuell restaustenit. Temperaturskillnaden mellan martensitbildningens start samt slut är vanligtvis C. Martensitbildningens start beror på sammansättningen av stålet, högre legeringsinnehåll leder till att Ms sjunker och således sjunker även Mf. Detta leder till att stål med högt legeringsinnehåll riskerar att få mer restaustenit kvar i strukturen om det kyls till rumstemperatur vid härdning än om stålet inte kryobehandlas/djupkyls [1]. Fasomvandlingar vid härdning kan illusteras i form av ett CCT-diagram (Continuous 5

12 ooling transformation), vilket anger med vilken hastighet stålet måste släckas för att martensit skall erhållas. Ett principiellt CCT-diagram kan ses i Figur 3. Figur 3. Principskiss över ett CCT-diagram. (Bildkälla: Karl Myrsell med inspiration från [1]) Martensitens egenskaper Martensit är av stort intresse då den besitter en hög hårdhet samt styrka. Martensitens utseende kan beskrivas som antingen nålar eller plattor. Martensit får en tetragonal atomstruktur pga. tvångsinlöst kol vid släckning från austenitområdet, denna uppkommer då kolet ej tillåts diffundera ut då stålet kyls mycket snabbt, se Figur 4. Dessa deformationer som sker i materialet vid bildande av martensit ger upphov till ett stort antal dislokationer (felaktigheter) i stålet vilka höjer stålets hårdhet. Andra hårdhetshöjande egenskaper för martensiten är det inneslutna kolet, vilket ger stålet en dislokationsbromsande förmåga, samt att de martensitplattor som bildas i lågkolhaltiga stål kan betraktas som ett hinder för dislokationer att förflytta sig [1]. Figur 4 Martensitens uppbyggnad. Förklarad av Bain vars ide grundade sig på att två kombinerade ytcentrerade kristaller bildar en martensitkristall. (streckad) (Bildkälla [6]). 6

13 2.5 Austenit Austenit beskriver den fas i vilken stålet befinner sig i innan det släcks. Den mängd austenit som återfinns efter släckning av stålet kallas restaustenit. Restausteniten har negativ inverkan på t.ex. Ythårdheten Kan omvandlas till oanlöpt martensit vid belastning Lägre trycksrestspänningar Sprickbildning Positiva effekter av ökad restaustenithalt kan sammanfattas som ökad duktilitet och att den verkar spänningsutjämnande [1]. Vid djupkylning samt kryobehandling kan andelen restaustenit minskas genom fullständig martensitbildning. Viss austenit förekommer även fast gränsen för martensitbildning, Mf, nåtts. Detta beror på höga elastiska spänningar för att bilda de sista martensitplattorna samt att Mf anger den temperatur vid vilken 90 95% av austeniten omvandlats till martensit [7]. Restaustenithalten korrelerar även till kolhalten vilket kan ses i Figur 5. Figur 5. Volymprocent restaustenit och omvandlingsstart från austenit till martensit som funktion av kolhalt. (Bildkälla [7]) 7

14 2.6 Kryobehandling Kryobehandling innebär att stålet kyls ner till -196 C, detta är temperaturen för flytande kväve. Ofta är hålltiden relativt lång vid kryobehandling, dock kommer tiden i detta försök att vara begränsad för att stålet ska följa produktionsflödet. Som tidigare nämnts är martensitomvandlingen diffusionslös och således ej tidsberoende. Kryobehandlingen kan således ses som en korttidsbehandling som får all austenit att omvandlas till martensit. Till skillnad från djupkylning (kylning till lägst -100 C med avsikt att omvandla austenit till martensit) syftar kryobehandling även till att skapa förutsättningar för kärnbildning av karbider, vilka utskiljs under anlöpning och gynnar nötningsmotståndet [1]. Kryobehandling bör utföras direkt efter härdning då restaustenit stabiliseras med tiden [4]. Kryobehandling syftar till att förbättra stålets egenskaper med avseende på [8]: Hårdhet och styrka Nötningsbeständighet Formförändring (restaustenit är instabil vid rumstemperatur och vill sakta sönderfalla) 2.7 Utvärdering av värmebehandling Hårdhet Hårdheten hos ett material karakteriseras genom dess förmåga att motstå plastisk deformation från ett främmande objekt. Ju större kraft det krävs för att göra ett permanent intryck i grundmaterialet desto hårdare är det. Olika metoder har utvecklats för att mäta hårdhet och bland de mest använda är: Brinell Rockwell Vickers Med Vickersmetoden är det möjligt att använda mindre laster och därför möjliggöra hårdhetsprövning av tunna eller små prover. Vid Vickersprovning trycks en pyramidformad diamant in i grundmaterialet. Genom mikroskop mäts intryckets diagonaler som genom medelvärdet på dem båda ger hårdheten via en översättningstabell. Detta hanteras i många fall automatiskt av den mjukvara som finns kopplad till Vickersmaskinen. Resultatet anges som xxx HV 0.5 där xxx anger hårdheten, HV står för Vickershårdhet samt 0.5 för den använda lasten. Hårdheten korrelerar till viss del mot materialets brottgräns Rm [5]. 8

15 2.7.2 Dragprov Dragprov är ett av de mest frekvent använda testerna inom stålbranschen. Det används för att bestämma ett materials mekaniska egenskaper och således kartlägga skillnader vid framtagning av nya materialtyper. Provstaven fästes mellan två gripklor vilka griper tag i vardera änden på provstaven. Med en succesivt ökande belastning dras provstaven tills den går av. Under dragförloppet registreras spänningen som en funktion av den töjning som uppstår. Exempel på dragprovkurva som erhållits vid dragprov kan ses i Figur 6. Figur 6 Exempel på dragprovskurva med förklaring av Rm samt Rp0.2. (Bildkälla: [1]) För att undvika mätrelaterade problem används Rp0.2 som ett mått på förlängningsgränsen (sträckgränsen). Detta anger då provstaven går från att utsättas för elastisk deformation till plastisk deformation (kvarstående deformation) [9]. Rm beskriver den maximala spänningen, innan en midjebildning på provstaven inträffar. A50mm i utförda tester anger brottförlängning, vilken är förlängning av ett på förhand uppmätt avstånd. Värdet ger en indikation på materialets duktilitet. I utförda tester har även elasticitetsmodulen valts att visas, elasticitetsmodul anger hur styvt ett material är, spänning töjning [1] Restaustenitmätning För att mäta halten restaustenit kan olika instrument användas, i detta arbete har röntgendiffraktometer använts. I en röntgendiffraktometer produceras röntgenstrålar genom att elektroner tillåts kollidera med en metallplatta. Genom slitsar eller någon form av kollimator riktas röntgenstrålarna på provet. Stål är ett kristallint material i vilka atomerna är ordnade i en viss atomstruktur (FCC samt BCT) och kan således diffraktera de inkommande röntgenstrålarna mot en detektor. Vid vissa vinklar uppstår intensitetstoppar då strålen träffar provet och diffrakteras [10]. Fenomenet beskrevs av Bragg enligt formeln: nλ = 2dsin(θ) och beskriver det interferensmönster som uppstår då röntgenstrålarna träffar provet. Fenomenet beskrivs i Figur 7. 9

16 Figur 7 Beskrivning av Braggs lag. De röntgenstrålar som träffar plan 2 måste färdas en sträcka 2dsin(θ) längre, därav uttrycket för Braggs lag. Planens normal [hkl] måste vara vinkelrät mot atomplanen för att diffraktion skall uppstå. (Bildkälla [10]) Detektorn omvandlar den inkommande strålningen till ett visuellt diagram på en dator med intensitet som funktion av vinkeln, 2θ. De toppar som skapas på diagrammet symboliserar olika atomplan i provet, endast de plan som riktar sin normal mot strålens riktning ger diffraktion [10]. Om provet innehåller en jämn fördelad mängd töjningar/spänningar ((d 1 d 0 )/d 0 ) i mikrostrukturen kommer toppens placering att påverkas då distansen, d, ändras och således en påverkan i vinkel genom Braggs lag, se fall 2 Figur 8. Då töjningarna är ojämna leder det till att toppen breder ut sig, ((d 1 d 0 )/d 0 ) där d 1 konstant [11], se Figur 8, fall 3. Figur 8 Effekten av hur mikrotöjningar påverkar intensitetstoppen och dess bredd vid röntgendiffraktion. (Bildkälla [11]) Restaustenithalten fås fram genom att integrera intensiteten av austenittopparna och jämföra de med volymerna dvs. integralen av martensittopparna. 10

17 3 Metod Studien påbörjas med litteraturstudie samt inhämtning av tidigare rapporter inom ämnet. Det som undersöks är materialens hårdhet, restaustenithalt, mikrostruktur samt draghållfasthet. Tanken bakom kryobehandling är att minimera restaustenithalten och bilda mer martensit i materialet, således uppnås en större andel av den hårda martensiten och mindre austenit. För att utvärdera kryobehandlingens inverkan kommer de obehandlade stålen SS716 samt Flap-X undersökas i mikroskop. Därefter kommer två prov av vartdera materialet att simuleras i laboratorieskala, ett prov värmebehandlas enligt voestalpine s nuvarande parametrar samt ett prov utsätts för kryobehandling. Efter värmebehandling kartläggs materialets egenskaper med hjälp av relevant utrustning. Liknande tillvägagångssätt används för att framställa provstavar för draghållsfasthetstest. Produktionen vid voestalpine går till så att råband med dimensioner mellan 2 4.5mm köps in och valsas därefter ner till lämplig dimension. Materialet grovvalsas först följt av glödgning, detta för att skapa nya korn och därmed ha möjligheten att valsa materialet till tunnare dimensioner. Därefter valsas och glödgas materialet om vartannat till den eftersträvade dimensionen innan materialet värmebehandlas, slitsas och säljs. Utgångsmaterialet för prover använda i dessa försök är 1mm ohärdade tjocka band av SS716 samt Flap-X. 3.1 Provberedning initial mikrostruktur samt dilatometer Från de ohärdade banden kapas prov ut mellan centrum och kanten på plåten enligt föreskrifterna på voestalpine. För att beskåda den initiala mikrostrukturen kapas en bit ur, ungefär 10*10mm, i respektive stålsort och gjuts in i bakelit. Proven slipas och poleras i lämpad utrustning och etsas därefter med villella. För att värmebehandla övriga prov med god temperaturkontroll används en dilatometer av märket Bahr analyse DIL805L. Dilatometern ställer vissa krav på provutformningen vilken framgår av Figur 9. Figur 9 Dilatometerprovernas utformning. (Bildkälla: Karl Myrsell) 11

18 Proven kapas ut mellan centrum och kanten på respektive ohärdad plåt med sidan 10 mm i den valsade riktningen. För att erhålla rätt dimensioner på proven användes en bänkplåtsax, skruvstäd samt en fil. Provbitar från respektive material körs i dilatometern enligt temperaturer erhållna från voestalpines process. För att utvärdera skillnaden mellan deras metod idag samt kryobehandlingens inverkan så körs fler prov med skillnaden att körningen avbryts och proven kyls ytterligare i flytande kväve innan anlöpningen utförs i dilatometer. Prov som analyseras i mikroskop samt hårdhetstestas kallingjutes för att inte restausteniten skall påverkas. Övriga prover som ej ingjutes analyseras i röntgendiffraktometer. Tider och temperaturer för värmebehandling är för dilatometersimulering direkt hämtade ur den verkliga processen. 3.2 Draghållfasthet För att testa draghållfastheten tas 10 prov av respektive stålsort ut mellan centrum och kanten på plåten i valsriktningen. För Flap-x avsätts fem prov för djupkylning samt fem prov för att enbart härdas utan djupkylning. För SS716 djupkyls och härdas totalt tio prov varav fem prov avsätts för att anlöpas vid 260 C. Detta för att undersöka inverkan av de olika legeringssystemen i produkterna. Försöksuppställning framgår i Figur 10 samt härdningsparametrar för försöket kan ses i Tabell 3. Använd ugnsutrustning tillhandahölls av LAC. Anlöpningsugn var av modellen pk 16/12 samt anlöpningsugn av modellen pp 20/65. 12

19 Tabell 2 Ugnsparametrar vid framställning av dragprov. DK=Djupkyld, K=Kyld till 20 C. Process Flap-X DK Flap-X K SS716 DK SS716 K SS716 Test 20 C 1060 C (s) Släckning olja - 20 C (s) (Djupkylning) (s) Anlöpning vid 260 C (s) Anlöpning vid 420 C (s) Figur 10 Försöksuppställning vid framställning av dragprovstavar. (Bildkälla: Karl Myrsell) 13

20 3.3 Utvärdering i mikroskop Ohärdade prover samt värmebehandlade prover som ingjutits, analyserades i ljusoptiskt samt laserfokalmikroskop. I arbetet analyserades proverna i ett ljusoptiskt mikroskop av typen Zeiss axio Scope.A1 i förstoringar från x för att kartlägga skillnader och bedöma stålen med avseende på mikrostruktur. I ett laserfokalmikroskop byggs bilden upp genom att lasern skannar provytan. Här användes en 3D-funktion i tillhörande mjukvara så att en bild med kontrast skapas, en s.k. höjdmap. Laserkonfokalmikroskopet var av modellen Olympus Lext OLS De prov som analyseras i LOM samt fokalmikroskop används sedan för hårdhetsmätning, vickers. 3.4 Hårdhetsmätning För att kartlägga hårdheten i proverna så används en hårdhetsmätare av Vickerstyp. En pyramidformad diamantspets trycks in i provbiten med en på förhand bestämd kraft, i dessa tester användes en belastning på 0.5kg. Hårdhetsmätaren var av märket Future Tech med modellbeteckning fm-700. Totalt uppmättes hårdheten på 10 ställen i respektive stålsort. Intrycken utfördes enligt föreskrifter för vickersprovning. Resultaten från hårdhetsprovningen överfördes till Microsoft Excel där medelvärdet beräknades för respektive stålsort med 95%-igt konfidensintervall. Resultaten åskådliggörs i form av stapeldiagram med felstaplar. 3.5 Röntgendiffraktometer För att erhålla noggranna analyser om restaustenithalten analyseras de ej ingjutna dilatometerproverna i röntgendiffraktometer. De olika modellerna som användes under arbetet var Bruker d8 advance samt Seifert 3000C. Bruker d8 advance använder koboltstrålning samt slitsar för att styra röntgenstrålarna. Seifert 3000C använder kromstrålning samt roterar och oscillerar provet för att beräkna ett medelvärde av respektive diffraktionstopp gällande intensitet, detta för att minimera inverkan av textur. De olika proverna slipas med kornstorlekarna 180, 320 samt 1000 mesh innan de elektrolytpoleras och analyseras i Seifert 3000C. Detta för att eventuell deformationsmartensit skall elimineras. I resultatdelen presenteras ingen restaustenithalt utan de erhållna kurvorna jämförs inbördes. 14

21 4 Resultat 4.1 Utgångsstruktur För att få en uppfattning om respektive materials ingående mikrostruktur studeras de i ljusmikroskop. Den erhållna kunskapen ligger till grund för vissa senare påståenden. Materialen bedömdes främst med avseende på mängden karbider samt hur slumpvis karbiderna var ordnade i grundmassan. Figur 11 visar Flap-X, vilken uppvisar en mer slumpartad karbidfördelning än SS716. Figur 12 visar ett prov av SS716 vilken inte besitter samma slumpartade karbidfördelning, karbiderna placerar sig gärna i stråk. Då båda stålen är martensitiskt rostfria stål är grundmassan i båda fallen bestående av ferrit. Karbiderna framträder som vita och är främst bestående av kromkarbider. Figur 11 Mikrostruktur innan värmebehandling, Flap-X. Observera de väl utspridda karbiderna. 15

22 Figur 12 Mikrostruktur innan värmebehandling, SS716. Observera karbidfördelningen gentemot Flap-X. 16

23 Hårdhet (HV) Hårdhet (HV) 4.2 Hårdhetsmätning För de djupkylda samt ej djupkylda proverna uppmättes hårdheten. Resultaten summerades i Microsoft Excel och presenteras nedan i form av diagram i Figur 13 samt 14. Hårdheten visas för respektive stålsort som grupperade staplar med felstaplar vilka beskriver det 95%-iga konfidensintervallet. Intrycken är gjorda på den långa sidan av dilatometerproverna dvs. den sida som har dimensionen 10*1 mm. 650 Flap-X HV Ej djupkylt Djupkylt Figur 13 Grupperat stapeldiagram med felstaplar vilka beskriver det 95%-iga konfidensintervallet för hårdhet, stålsort Flap-X. 570 SS716 HV Ej djupkylt Djupkylt Figur 14 Grupperat stapeldiagram med felstaplar vilka beskriver det 95%-iga konfidensintervallet för hårdhet, stålsort SS

24 4.3 Dilatometer Från de körningar som genomfördes i dilatometer erhölls diagram vilka innehåller temperatur samt provets längdförändring som funktion av tid. Resultat kan ses i Figur 15 samt 16. Temperaturen visas som rött och provets längdförändring illustreras i blått. De inringade områdena tydliga fasövergångar från ferrit till austenit (1) samt från austenit till martensit (2). Det kan tydligt observeras att martensitomvandlingen för Flap-X sker vid lägre temperatur i jämförelse med SS716. Martensitomvandlingen pågår i båda fallen tills temperaturen nått 20 C, detta indikerar på att Mf återfinns under rumstemperatur. Då proven togs ut ur dilatometern vid kylning i flytande kväve erhölls inget värde på Mf. Figur 15 Dilatometerkörning av SS716 som visar temperatur (röd) och längdförändring (blå) som funktion av tid. Figur 16 Dilatometerkörning av Flap-X som visar temperatur (röd) och längdförändring (blå) som funktion av tid. 18

25 4.4 Dragprov Resultat från utförda dragprov kan ses i Tabell 4 samt 5. Samtliga prov är härdade och därefter anlöpta. Med säkerhet kan det sägas att Flap-X djupkyld (DK) uppvisar ett högre Rp0.2-värde än icke djupkylda prover av samma stålsort. Då brottgränsvärdena för Flap-X överlappar varandra kan ej någon slutsats dras kring Rm. Vidare gäller att brottförlängningen i icke djupkylda prover för Flap-X skiljer sig väsentligt mellan olika provstavar. SS716 uppvisar inga större skillnader mellan djupkylda samt icke djupkylda tester, sträckgräns och brottgräns förändras ej nämnvärt vilket kan ses i Tabell 5. De provstavar av SS716 som anlöptes vid 260 C har gentemot andra prov av stålsort SS716 ökade värden på sträckgräns samt brottgräns. Tabell 3 Dragprovsresultat för Flap-X. Resultaten presenteras som medelvärde av resultaten erhållna vid dragproven med 95%-igt konfidensintervall. me = Elasticitetsmodul, Rp0.2 = Sträckgräns, Rm = Brottgräns, A50 = Brottförlängning, T = Tjocklek samt B = Bredd. Flap-X E-Modul (me) Rp0.2 Rm A (A50) Rp0.2/Rm T a0 B b0 GPa MPa MPa % % mm mm Djupkylt ± ± 45 3,2 ± 1,2 78,8 1,0 11,3 Ej djupkylt ± ± 64 5,2 ± 3,3 75,3 1,0 11,3 Tabell 5 Dragprovsresultat för SS716. Resultaten presenteras som medelvärde av dragproven respektive med 95% konfidensintervall. I det fall avvikelsen blir stor på grund av få mätvärden presenteras enbart medelvärde. me = Elasticitetsmodul, Rp0.2 = Sträckgräns, Rm = Brottgräns, A50 = Brottförlängning, T = Tjocklek samt B = Bredd. SS716 E-Modul (me) Rp0.2 Rm A (A50) Rp0.2/Rm T a0 B b0 GPa MPa MPa % % mm mm Djupkylt ± ± 3 3,1 ± 0,4 79,1 1,0 11,4 Ej djupkyld ,0 78,2 1,0 11,3 260 C ± ± 21 2,86 ± 0,2 78,4 1,0 11,4 19

26 4.5 Röntgendiffraktion Koboltstrålning Restaustenithalten i proven undersöktes med röntgendiffraktometer. Figur 17 och 18 visar erhållna resultat från de körningar som utfördes med koboltstrålning. Intensitetskurvorna har valts att inte utvärderas utan jämförs med varandra för utvärdering av restaustenithalten. Resultaten visar martensittoppar, austenittopp samt karbidtoppar. Förklaring av de olika intensitetstopparna framgår i bilaga 1. Figur 17 Erhållna resultat från röntgendiffraktion för Flap-X. Djupkylt prov illustreras i svart samt ej djupkylt i rött. Figur 18 Erhållna resultat från röntgendiffraktion för SS716. Djupkylt prov illustreras i grönt samt ej djupkylt i blått. 20

27 4.5.2 Kromstrålning Materialens restaustenithalt uppmättes med kromstrålning samt rotation och oscillering av proven. Figur 19 visar mätning på en provstandard, ett järnpulverprov med rent järn. Notera hur smala topparna är i ett avslappnat prov utan mikrotöjningar. Figur 20 visar mätning på djupkylt material av stålsort Flap-X, provet anses representativt för samtliga körningar med kromstrålning. Materialet är kraftigt deformerat pga. distorsion vid bildning av martensit vilket syns på bredden av topparna. Inga synliga toppar kan identifieras för austenitfasen. I normala fall kan två procent austenit gömma sig i strukturen, mikrotöjningar ger breddning av topparna och således kan mer austenit finnas osynligt vid mättillfället. Figur 19 Resultat från körning på ett järnpulverprov, observera de smala topparna. Figur 20 Intensitetskurva vid röntgendiffraktion av Flap-X djupkylt. Kurvan anses representativ för samtliga prov vid användande av kromstrålning. Notera de breda topparna och avsaknandet av austenittopp. 21

28 4.6 Mikrostruktur Mikrostrukturen i samtliga prov består av anlöpt martensit, karbider och möjligtvis en liten mängd restaustenit. Mikrostrukturen skiljer sig ej väsentligt mellan djupkylda och ej djupkylda prover vilket kan observeras i Figur 21 samt 22. Figur 21 Strukturbilder för SS716. Bilder till höger visar djupkylda prov och bilder till vänster ej djupkylda. Strukturbilderna överst har etsats med villella under 40s samt de nedersta bilder med kallings under 40s. 22

29 Figur 22 Strukturbilder för Flap-X. Bilder till höger visar djupkylda prov och bilder till vänster ej djupkylda. Strukturbilderna överst har etsats med villella under 40s samt de nedersta bilder med kallings under 40s. 23

30 5 Diskussion Nedan följer en sammanställning av de resultat som erhållits med kommentarer. Materialförsök Hårdhetsmätningarna visar med säkerhet att de djupkylda proven är hårdare än de icke djupkylda proven för båda stålsorterna. Detta konstateras genom statistiska beräkningar med 95%-igt konfidensintervall. Från den initiala mikrostrukturen kan det observeras att Flap-X har en mer dispersiv karbidfördelning i jämförelse med SS716. Det innebär att karbiderna får mer gränsyta och har lättare att lösas in i grundmassan vid austenitisering. Mer legeringsämnen i grundmassan förskjuter nosen för bainit bortåt och linjen för omvandling till martensit sjunker till lägre temperatur relaterat till Figur 3. Då Ms sjunker så sjunker även Mf, således innehåller Flap-X troligen mer restaustenit och den uppmätta skillnaden i hårdhet mellan djupkylda respektive ej djupkylda blir mer påtaglig. Det skall tilläggas att den kemiska sammansättningen för stålen är relativt lika. I dilatometerkurvorna stärks även den tesen då den uppmätta temperaturen för omvandling till martensit är lägre för Flap-X än motsvarande temperatur för SS716. En intressant aspekt är korrelationen till brottgräns. Allmänt brukar det sägas att högre hårdhet genererar en högre brottgräns. SS716 har samma brottgräns oavsett om proven djupkylts eller ej. En möjlig förklaring till detta är spänningstillstånden vid de olika testerna, vid hårdhetsmätning utsätts materialet för tryckspänningar. Tryckspänningar kan omöjligen öppna sprickor utan håller ihop materialet. Vid ett dragprov utsätts provstaven för dragspänningar vilka tillåter sprickor att öppnas. Sammantaget två olika spänningstillstånd som ofta kan generaliseras men som inte alltid stämmer. Textur innebär att det finns en kristallografisk riktning i vilken kristallerna föredrar att riktas i. Då proven inte roteras och oscilleras vid undersökningar i XRD kommer materialets textur påverka intensitetstopparna. Detta förekommer i de mätningar som utförts i Munkfors med koboltstrålning. För resultatsäkerhetens skull innebär det en viss osäkerhet. Genom att rotera och oscillera provet och därefter beräkna ett medelvärde av intensiteten kan textur elimineras, detta utfördes i Hagfors. Dessvärre kunde ingen restaustenit påvisas, detta utesluter dock inte att restaustenit finns i proven. Restaustenithalten kan i optimala fall i Hagfors mätas med XRD ned till två procent. Då topparna är kraftigt breddade på grund av töjningar och körningarna innehåller en relativt hög bakgrundsstrålning så kan proven innehålla mer restaustenit utan att kunna påvisas, hur mycket är dock okänt. Att materialet har en stor del töjningar och kvarvarande spänning är dock nödvändigt för att materialet skall behålla sin hårdhet. Om anlöpningstemperaturen skulle ökas skulle det för stålet innebära att stålet skulle återhämta sig på bekostnad av hårdhet. Analyseras de mätningar som utfördes i Munkfors kan det antas att restaustenithalten minskat (vilket den borde gjort), hur mycket är dock okänt. 24

31 De prov som värmebehandlades i dilatometer hade en utmärkt temperaturkontroll och skyddande atmosfär i form av vakuum eller argon. Proven kunde simuleras med enbart ett par graders felmarginal. Värmebehandling av de provstavar som utsattes för dragprov skedde i en elektrisk ugn med tillgång till syre. Viss avkolning och oxidering kan ha förekommit. Då proven placerades i ugnen skedde även en temperatursänkning om C. Kanterna på proven bereddes manuellt med hjälp av en planfil. Dragprovsresultaten visar på en ökning av både Rp0.2 och Rm för Flap-X. SS716 uppvisar inga påtagliga skillnader. För Flap-X normalhärdat visar brottförlängningen, A50, att brott skett vid olika förlängningar, från %. Möjliga anledningar till brott vid låg förlängning skulle kunna bero på värmebehandling, provberedning eller bildande av deformationsmartensit under dragförloppet. Analys av brottytan på de prov som gick av vid låg förlängning skulle kunna ge svar om varför. Mikrostrukturerna ser relativt lika ut mellan djupkylda och icke djupkylda prover oavsett stålsort. Grundmassan består av anlöpt martensit med karbider och icke synlig restaustenit. SS716 har en större genomsnittsstorlek på karbiderna och ser även ut att innehålla fler karbider, se bilaga 2. Kornstorleken är i respektive stål relativt fin. Huruvida dilamometerresultaten som erhållits kan översättas till den verkliga processen kan diskuteras. Men då det finns utrymme i produktionen för att installera en provisorisk kylbox så anses det vara ett alternativ för fortsatt arbete. Således slipper övriga parametrar att simuleras och provtagning samt övriga moment förenklas. Innan försöket påbörjas kan det vara en ide att ta reda på Mf eftersom stålet inte behöver kylas så mycket lägre än den temperaturen för att omvandla den austenit som finns kvar i materialet till martensit. Oftast då stål kryobehandlas så har stålen en soaking period vid vilken stålet hålls under stark kyla en längre tid. I dessa försök användes flytande kväve eftersom det var lättillgängligt och ger en säkerhet på att stålet kylts tillräckligt lågt med avseende på temperatur. Som tidigare nämnt är processen på voestalpine Precision Strip kontinuerlig och långa hålltider fungerar inte i produktionsflödet. Stålens egenskaper ser i dessa tester ut att ha förbättrats om än inte mycket. För att tydliggöra samband och påverkan av djupkylning bör fler tester utföras. 25

32 6 Slutsats Från försöken kan följande slutsatser sammanfattas: Stålen uppnår en högre hårdhet med djupkylning, mest troligt pga. sänkt restaustenithalt. Flap-X får vid djupkylning högre sträckgräns medan brottgränsen inte förändras tillräckligt för att påvisa en skillnad. Restaustenithalten har troligen sänkts i båda stålsorterna med djupkylning men textur påverkar resultatsäkerheten. Restaustenithalt bör ej mätas med kromstrålning med kollimator eftersom det genererar höga intensiteter av bakgrundsstrålning. Anlöpt SS716 vid 260 C uppnår ökad sträckgräns och brottgräns i jämförelse med andra stål av SS716 då martensiten inte utarmas lika mycket på kol. Således fås för stålet ett högre värde på lösningshärdning vilket bidrar till stålets egenskaper. Inga synliga skillnader i mikrostruktur kunde påvisas i laserkonfokalmikroskop mellan proverna, relevant för arbetet. 26

33 7 Fortsatt arbete För att ytterligare kartlägga djupkylningens inverkan på stålsorterna ges förslag nedan: - Mer tillförlitliga resultat genom att statistiskt säkra resultaten. Repetera försöken med längre försöksserier om inte försök i fullskala väljs. - Utför försök i fullskala. Eftersom det i produktion finns utrymme att installera en provisorisk kylbox kan resultaten lättare utvärderas eftersom processen inte behöver simuleras. - För restaustenitmätningar finns andra metoder att tillgå som till exempel magnetvågsmätning. Den mäter andelen magnetisk fas i provet istället för gitterparametrar som vid röntgendiffraktion och skulle fungera bra i detta fall då austenit och martensit är omagnetisk respektive magnetisk. - För att kartlägga utförliga skillnader i mikrostruktur mellan djupkylda samt ej djupkylda prov rekommenderas att analysera proven i högre förstoring i exempelvis svepelektronmikroskop. - Vid eventuell investering för produktion i fullskala bör det ur ett miljöperspektiv undersökas om den ökning av egenskaperna som sker vid djupkylning av stålet är värt att satsa på med avseende på stålets livslängd. 27

34 8 Referenser [1] E. Troell, H. Kristoffersen, T. Holm, J. Fahlkrans, S. Haglund, J. Bodin, H. Jesperson, K. Berggren, A. Eriksson, L. Andersson, M. T. Coll Ferarri, J. Eriksson, S. B. Hosseini, C. Karlsson, B. Leffler, P. Lundström, P. Olsson, U. Persson, G. Runnsjö, E. Schedin, J. Tengzelius, M. Zackrisson, J. Ågren och P. Ölund, Stål och vämebehandling - En handbok, Mölndal: Swerea IVF, [2] Voestalpine, Voestalpine Precision Strip Group, [Online]. Available: [Använd 24 Maj 2017]. [3] L. Stemne, Metalliska Material - I Metallografiska Grunder, Filipstad: Bergsskolan, [4] E. Ullman, Karlebo Materiallära, 14 red., Värnamo: Liber AB, [5] B. Liljekvist, Jernkontoret utbildningspaket - Del 11, [Online]. Available: [Använd 11 Maj 2017]. [6] S. Löwy, Formation of Lath Martensite, Univeritet Stuttgart, Stuttgart, [7] D. A. Porter, K. E. Easterling och M. Y. Sherif, Phase Transformations In Metals and Alloys, Boca Raton: CRC Press, [8] Gas, Linde, Sub-zero Treatment of Steels Technology/Processes/Equipment, Linde Gas Division, Pullach. [9] ASM International, Tensile Testing - Second Edition, ASM International, Materials Park, Ohio, [10] S. A. Speakman, Introduction to Crytallography and X-ray Diffraction Theory, Massachusetts Institute of Technology, Massachusetts. [11] P. Moeck, Effect of Lattice Strain on Diffraction Peak Position and Widht, Portland State University, Portland. [12] R. Naraghi, A. Borgenstam och P. Hedström, Martensitic Transformation in Austenitic Stainless Steels, Royal Institute of Technology, Stockholm,

35 9 Bilagor 9.1 Bilaga 1 Förklaring av intensitetstoppar Resultat från analys i röntgendiffraktometer presenteras i form av intensitetstoppar. Topparna är specifika för den strålning som används samt utifrån provets egenskaper. I Figur 1-3 härleds respektive intensitetstopp till respektive fas (kristallografiskt). Figur 1 Prov av Flap-X djupkylt analyserat med koboltstrålning. Streck visar alfa (blå) samt beta (grön) toppar av martensit. 30

36 Figur 2 Prov av Flap-X djupkylt analyserat med koboltstrålning. Streck (lila) visar austenittopparnas placering. 31

37 Figur 3 Prov av Flap-X djupkylt analyserat med koboltstrålning. Streck (röda) visar karbidtopparnas placering. 32

38 9.2 Bilaga 2 Höjdmap ej djupkylda prover Figur 1 är mikrografier för ej djupkylda prover i syfte att jämföra karbidfördelning och karbidstorlek. Vid studie av mikrografierna kan det observeras att SS716 ser ut att innehålla större samt fler karbider än Flap-X. Figur 1 Höjdmap från laserkonfokalmikroskop. Ej djupkylda prover, Flap-X till vänster samt SS716 till höger. Rester från provberedning kan observeras i det vänstra provet. 33