Högskoleingenjör, Materialteknik 2019

Transkript

1 Puckelglödning En alternativ mjukglödgningsprocess Robert Spector Högskoleingenjör, Materialteknik 2019 Luleå tekniska universitet Institutionen för teknikvetenskap och matematik

2 Förord Följande rapport är ett resultat av det examensarbete som under 10 veckor har genomförts hos Ovako Steel AB i Hällefors. Examensarbetet omfattar 15 högskolepoäng och är den avslutande examinationen för högskoleingenjörsprogrammet Materialteknik med inriktning metallurgi vid Bergsskolan i Filipstad vilka har ett samarbete med Luleå Tekniska Universitet. Jag vill här gärna passa på och tacka alla inom Ovako som på olika vis hjälpt till under resans gång. Ett extra tack till gubbarna nere i värmebehandlingen. Ett stort tack även till personalen på Bergsskolan. I

3 Sammanfattning Mjukglödgning av kullagerstål är en förutsättning för att kunna vidareförädla stålet. Processen är idag väldigt tidskrävande vilket gjort den till en flaskhals i produktionen. Detta examensarbete har gått ut på att titta närmare på en snabbare mjukglödgningscykel, kallad puckelglödgning, som idag används i Hofors och ställa det i förhållande till nuvarande cykel som används i Rullhärdugn 1. Genom labbugnstest, dilatometertester samt en skarp körning har data tagits fram för hårdhet och struktur vilket sedan analyserats och jämförts med motsvarande data från dagens process. Målet har varit att se om puckelglödgningen är en praktiskt gångbar process och om den uppfyller de krav på struktur och hårdhet som ställs på stålet efter mjukglödgning. Resultatet har visat på att puckelglödgning ger en godkänd struktur och hårdhet i labbmiljö men att processen i sig ställer höga krav på ugnens kapacitet när det kommer till att använda den i den vanliga produktionen. Resultatet från den skarpa körningen visar att cykeln har svårt att få en likvärdig struktur när större volymer mjukglödgas. Puckelglödgningscykeln som används i Hofors har fördelar jämtemot den cykel som används i Hällefors, men slutsatsen är ändå att en optimering av nuvarande cykel i Hällefors är att föredra framför ett införande av en puckelglödgningscykel. II

4 Abstract Soft annealing of ball bearing steels is a prerequisite to be able to further process the steel. The process today is very time-consuming which has made it into a bottleneck. The purpose of this thesis has been to study a faster soft annealing cycle called hump annealing which is used in Hofors and compare it to the current cycle used in Rullhärdugn 1 (Roller hearth furnace 1). Through a test in a lab furnace, dilatometer tests and a live test data has been collected on hardness and structure which then has been analyzed and compared against data from the current day process. The goal has been to see if hump annealing is a practically feasible process and if it fulfills the requirements in structure and hardness that is demanded of the steel following soft annealing. The results concluded showed that hump annealing produces an acceptable structure and hardness in lab environment but that the process itself puts high demands on the furnaces capacity when it comes to using it in the regular production. The results from the live test shows that the hump annealing cycle has problems getting an equivalent structure when bigger volumes are soft annealed. The hump annealing cycle do have certain advantages compared to the cycle used in Hällefors but the conclusion is nevertheless that an optimization of the current cycle in Hällefors is preferred to adopting the hump annealing cycle. III

5 Innehållsförteckning 1. Inledning Företagspresentation Bakgrund Syfte Målsättning Material- och processbeskrivning Stålsorter Processen idag Litteraturstudie Värmebehandling Mjukglödgning Normaliseringsglödgning Puckelglödgning Värmeöverföring och ugnar Värmeöverföring Uppvärmning av ugnar Metod Laboratorieugnstest Dilatometertester Provpreparering Mikroskopering Hårdhetsmätning Kontugn 14, Bilaga 93 och Rullhärdugn 1, Bilaga Resultat Fasomvandlingsintervall Laboratorieugnstest Dilatometertester Svalningstemperatur Puckelglödgning i dilatometer Testkörning i Bilaga 60 och Bilaga Kornstorlek Diskussion Slutsatser Rekommendationer till fortsatt arbete Referenser BILAGA 1 Materialtemperatur i Bilaga BILAGA 2 Karbidstorlek CG IV

6 BILAGA 3 Perlitandel PA BILAGA 4 Karbidnätverk CN BILAGA 5 Hårdhetsvärden V

7 1. Inledning 1.1. Företagspresentation Dagens Ovako grundades i maj 2005 genom en sammanslagning av Fundia, Ovako Steel och Imatra Steel. Företaget ägdes då av SKF, Rautaruukki samt Wärtsilä. Sedan dess har Ovako bytt ägare och ägs idag av riskkapitalbolaget Triton. Produktionsenheter i Sverige finns i bland annat Hofors, Hällefors, Smedjebacken samt Boxholm. I Finland finns även en enhet i Imatra. Ovako specialiserar sig på högkvalitativt komponentstål i form av kall- och varmvalsade stångprodukter, rörprodukter samt ringprodukter. Vanliga applikationsområden finns inom kullagerindustrin, olja- och gasindustrin samt fordonsindustrin där vikten av hög hållfasthet samt slitstyrka är stor. [1] 1.2. Bakgrund Mjukglödgning är en viktig process för att kunna vidarebearbeta stål genom exempelvis kallformning eller skärande bearbetning. Nackdelen är att denna process idag tar en väldigt lång tid att genomföra vilket gör processen till en flaskhals i produktionen. Genom att korta ner processtiden samtidigt som produktens kvalitet bibehålls kan kostnader sänkas, produktionstakten öka samt att processens påverkan på miljön kan minska sett till ton producerat material. Hos Ovako i Hofors används idag en mjukglödgningscykel kallad Bilaga 93, även kallad puckelglödgning, som påstås vara snabbare än den klassiska mjukglödgningscykel (figur 3) som ofta nämns i litteraturen samt den används hos Ovako i Hällefors, kallad Bilaga 60. Bilaga 93 och Bilaga 60 är alltså de namn som företaget använder för olika värmebehandlingscykler och ska ej förväxlas med bilagor till rapporten Syfte Att med hjälp av laborationstester, litteraturstudier samt studiebesök undersöka puckelglödgningen och vad som händer i stålet under puckelglödgningens olika delmoment. Detta för att få en ökad förståelse för vad som eventuellt gör processen bättre. Studera de skillnader som finns mellan de båda mjukglödgningscyklerna och utvärdera om någon av dem genererar ett bättre resultat med hänseende på struktur och hårdhet samt även utvärdera om puckelglödgning är en process som borde introduceras i Hällefors Målsättning Målsättningen är att denna rapport ska kunna ge svar på många av de frågetecken som finns gällande puckelglödgning och vara en del av det underlag som används vid en framtida diskussion om eventuell konvertering av Rullhärdugn 1 (RH 1) från gasol till el samt anpassning till puckelglödgning. 1

8 2. Material- och processbeskrivning Nedan följer beskrivningar om de för rapporten aktuella stålsorter samt hur processerna ser ut idag Stålsorter I denna rapport kommer tre stålsorter (803, 825, 837) att testas. Anledningen är att dessa tre stålsorter står för huvuddelen av den mängd stål som mjukglödgats i Rullhärdugn 1 år (tabell 1). Tabell 1. Samtliga stålsorter som mjukglödgats i Bilaga 60 i Rullhärdugn 1 (RH 1) under 2016 och dess totala vikt i kilo och procent. Stålsort Total vikt (kg) Total vikt (%) ,8% ,3% ,3% ,0% ,4% ,1% ,3% ,8% Summa ,0% Summa topp ,7% Varje stålsort är i sin tur uppdelad i en mängd varianter. Endast en variant per stålsort kommer att testas: 803P, 825B samt 837R. Det förutsätts att om en mjukglödgningscykel fungerar tillfredställande på t.ex. varianten 803P så funkar den på alla 803- varianter, då de är näst intill identiska i sin kemiska sammansättning. Hädanefter kommer dock varianterna för enkelhetens skull istället att benämnas som stålsorter. T.ex. Stålsort 803P. Stålsorten 803P användes som referensmaterial; om en testcykel gav goda resultat för 803P så utfördes även ett test på de andra materialen. Detta för att kunna säkerställa att de kan mjukglödgas i en och samma puckelglödgningscykel. Tabell 2. Kemisk sammansättning hos de stålsorter som studerades i arbetet. Stålsort Variant A 1 / A CM C% Si % Mn % P % S % Cr % Ni % Mo % 803 P 825 B 837 R 745 C Min C Max C Min Max C Min Max Alla tre stålsorter är s.k. kullagerstål med viss skillnad i kemisk sammansättning (tabell 2) sinsemellan. I tabellen finns även stålsorternas A1-temperatur. Med kullagerstål avses oftast låglegerade verktygsstål med en legeringshalt på max 5 viktsprocent där en kolhalt på 1 %, kromhalt på 1 2% och eventuellt cirka 0.5% molybden är vanligt. [2] 2

9 2.2. Processen idag Mjukglödgningen av tidigare nämnda stålsorter sker i Hällefors idag i bland annat Rullhärdugn 1 (RH1), vilket är en kontinuerlig ugn (figur 1) som är indelad i 13 temperaturstyrda zoner inklusive en 6 meter lång sluss i början och en 20 meter lång kylzon i slutet. Stängerna lastas lagervis, dessa kallas mattor (exempel på hur de ser ut finns i figur 11), till dess att maxvikten per meter uppnåtts. Mattorna transporteras sedan på rullar genom ugnen. Rullarna i RH1 tillåter en vikt på max 1450 kg/m. Från det att materialet går in i ugnen (slussen) till dess att materialet kan lastas ut tar det knappt 22 timmar. I BILAGA 1 finns ett diagram över materialets temperaturförändringar under en cykel. Samma stålsorter mjukglödgas även i Hofors om än med en annorlunda mjukglödgningscykel. Kontinuerlig ugn 14 är en rullhärdugn bestående av 16 temperaturstyrda zoner. Till skillnad från RH1 så använder sig Kontugn 14 av skyddsgas; detta på grund av att man mestadels mjukglödgar rör vilka är känsligare för avkolning. En annan väsentlig skillnad är att enbart enkellager lastas. Lastningen är väldigt simpel då rören läggs i en ficka som sedan fälls upp så att rören rullar ner på ugnsrullarna. Enligt uppgift körs sällan den teoretiska maxvikten på 750 kg/m. Den teoretiska produktion som är listad i tabell 3 är just teoretisk på grund av att det alltid finns en lucka mellan varje matta i ugnen. I Hofors fall påverkar även det faktum att maxvikten på 750 kg/m sällan, om ens någon gång, uppnås. Eftersom fler mattor skickas in i ugnen, pga. den snabbare hastigheten, leder det i sin tur till fler luckor i ugnen. Med luckor åsyftas det tomrum som finns mellan varje lastad matta. Tabell 3. Specifikationer av RH1 med tillhörande Bilaga 60(cykel) samt Kontugn 14 med tillhörande Bilaga 93(cykel). *I dessa zoner påstås materialet ha kommit upp i temperatur. Rullhärdugn 1 - Hällefors Kontinuerlig ugn 14 - Hofors Zon nr. Längd (m) Summa (m) Bilaga 60 ( C) Zon nr. Längd (m) Summa (m) Bilaga 93 ( C) sluss ,545 4, ,3 3, ,212 7, ,6 9, ,598 10, * 3 1,5 11, ,535 13, * 4 2,4 13, ,535 17, * 5 2,4 16, ,04 21, , ,03 24, ,27 26, * 8 2,7 24, ,2 28, * 9 2,9 27, ,6 31, ,9 30, ,02 33, ,9 33, ,03 36, ,9 36, ,04 40, ,9 39, ,04 44, kylzon ,04 48, ,04 52, Hastighet, m/h 3 Hastighet, m/h 7 Maxvikt/m (kg) 1450 Maxvikt/m (kg) 750 Cykeltid (h) 13,1 (22,7) Cykeltid (h) 7,5 Teoretisk produktion, ton/h 4,35 Teoretisk produktion, ton/h 5,25 3

10 Figur 1. Exempel på en kontinuerlig rullhärdugn sett från sidan. Materialet lastas in i ena änden av ugnen och kommer ut i andra änden. [19] Nedan beskrivs några viktiga skillnader mellan Bilaga 60 och Bilaga 93. Som hjälpmedel för detta används diagrammet i BILAGA 1 samt den data som finns Tabell 3. Inget diagram för materialtemperatur finns att tillgå för Bilaga 93. Uppvärmningshastigheten Hastigheten på den kontrollerade svalningen Temperaturintervallet för den kontrollerade svalningen En väsentlig skillnad mellan de två bilagorna är att Bilaga 93 har en betydligt snabbare uppvärmningstid. Det tar 65 minuter för materialet att komma upp i temperatur i Bilaga 93 medan det tar 395 minuter i Bilaga 60. Under den tiden har Bilaga 93 nästan hunnit köra hela sin 450- minuters cykel. Bilaga 93 har en svalningshastighet på ca 20 C/h under den kontrollerade svalningen. Bilaga 60 har knappt 12 C/h. Bilaga 93 har sin kontrollerade svalning mellan C. Bilaga 60 har mellan C. Detta leder sammantaget till att den kontrollerade svalningen tar cirka 180 minuter (3h) för Bilaga 93 och hela 375 minuter (6,25h) för Bilaga 60. Att det är skillnad i uppvärmningstid mellan de två är självklart då Bilaga 60 har dubbelt så mycket material att värma upp. Det som däremot inte borde vara någon större skillnad är hastigheten på den kontrollerade svalningen samt temperaturintervallet för den kontrollerade svalningen då samma stålsorter mjukglödgas i båda ugnarna. I figur 2 ges en visuell bild över skillnaderna mellan de två bilagorna. Notera att A1 med dessa svalningshastigheter inte är en fast temperatur som visas i figuren utan ett temperaturintervall. D.v.s. omvandlingen från austenit till perlit sker inte ögonblickligen vid den streckade linjen i figuren utan startar runt den streckade linjen och avslutas först en bit under linjen. 4

11 Figur 2. Ungefärlig uppskattning av materialets temperatur under körning av respektive bilaga. A1 i figuren är satt till 745 C. Denna varierar dock beroende på vilken stålsort det gäller. 5

12 3. Litteraturstudie 3.1. Värmebehandling Värmebehandling av stål är viktig för dess mikrostruktur. Mikrostrukturen påverkar i sin tur stålets egenskaper och är således en central del i stålets processkedja. Det finns många olika typer av värmebehandlingar och de som är relevanta för denna rapport och som kommer tas upp nedan är det traditionella mjukglödgningsprocessen, normaliseringsglödgning samt puckelglödgning Mjukglödgning Mjukglödgning är en värmebehandlingsprocess vars syfte är att sänka ett ståls hårdhet i syfte att öka dess skär- och formbarhet. Detta görs genom en strukturomvandling av stålet. Ursprungsstrukturen varierar beroende på stålets kolhalt vilket i sin tur leder till att även mjukglödgningsprocessen skiljer sig åt beroende på kolhalt. Skiljelinjen går mellan under- och övereutektoida stål vilket kan ses tydligare i Figur 3. [3] Figur 3. Järn-koldiagram där temperaturer för olika värmebehandlingsprocesser finns utmarkerade. [4] Undereutektoida stål består av mjuka ferritkorn och hårda perlitkorn. Målet med mjukglödgningen för undereutektoida stål går ut på att genom diffusion sfäroidisera de hårda perlitkornens cementitlameller vilket gör materialet mjukare. [5] Omvandlingen drivs på av kroppars önskan att minska sin ytenergi, dvs. så stor volym som möjligt med en så liten yta som möjligt. [6] Genom att värma upp stålet till en temperatur strax under A1(se figur 4) snabbas diffusionen på [7] och sfäroidiseringen tar fart. Temperaturen hålls konstant till dess att en önskvärd struktur uppnåtts. Svalningshastigheten efter denna typ av mjukglödgning påverkar inte stålets hårdhet. [8] Det finns många teorier om hur processen från lamellär till sfäroidiserad cementit ser ut. Här tas endast de tre stora teorierna upp lite kort: 6

13 1. Rayleigh s Perturbation Theory 2. Thermal Groove Theory 3. Fault Migration Theory Rayleigh s Pertubationteori, illustrerad i figur 4.a, talar om hur lameller utsätts för vågformade störningar vilket orsakar instabilitet. När de vågformade störningarna överstiger en viss kritisk våglängd bryts lamellerna upp i sfäriska partiklar. Thermal Grooveteorin handlar om s.k. subgränser som uppstår genom deformation eller fasomvandling längst med lamellerna. Dessa ger sedan upphov till korngränsskåror (figur 4.b) vilka växer till sig och slutligen leder till att lamellen slutligen bryts upp i korta segment. De två första teorierna tar endast upp instabiliteten av enskilda lameller. Fault Migrationteorin tar istället ett helhetsgrepp och talar om diffusionsinteraktionen (figur 4.c) mellan olika lameller. Teorin är generellt accepterad som den huvudsakliga mekanismen bakom lamellstrukturernas instabilitet. [9] Figur 4. a) Rayleigh's Perturbation Theory, b) Thermal Groove Theory, c) Fault Migration Theory För övereutektoida stål ser processen annorlunda ut. Här består stålet av perlitkorn omgivet av varierande mängd korngränskarbider beroende på mängden kol i stålet. P.g.a. förekomsten av korngränskarbider måste högre temperaturer användas än vid undereutektoida stål. Genom att värma upp stålet till en temperatur över A 1 (figur 5) omvandlas perlitkornen till austenitkorn samtidigt som delar av korngränskarbiderna löses in i austeniten medan resterande korngränskarbider sfäroidiseras, även detta ett resultat av kroppens önskan att minska sin ytenergi [7]. Eftersom temperaturen inte överstiger A cm kommer en liten del av korngränskarbiden samt cementiten från perlitkornen att finnas kvar. [10] De kvarvarande karbidpartiklarna kommer under svalning att fungera som ymppunkter för det i austeniten inlösta kolet. Efter lämplig hålltid över A 1 påbörjas kontrollerad svalning ner till strax under A 1. [8] Figur 5. Exempel på mjukglödgningscykel för undereutektoida stål(vänster) samt övereutektoida stål(höger). 7

14 Svalningshastigheten vid den kontrollerade svalningen genom A 1 är av yttersta vikt vid mjukglödgning av övereutektoida stål då den avgör slutstrukturen och därmed hårdheten hos stålet efter mjukglödgningen. För snabb svalning leder till återbildande av lamellär perlit och för långsam svalning leder till för stora karbider. Med rätt svalningshastighet sker något som på engelska kallas Divorced eutectoid transformation(det) där ferriten växer in i austeniten samtidigt som kolet i austeniten binder sig till de tidigare nämnda ymppunkterna och därmed bildas sfäroidiserad karbid omgiven av en ferritmassa istället för lamellär ferrit och cementit, dvs. perlit. I figur 6 ses skillnaden mellan den lamellära samt sfäroida omvandlingen vid svalning genom A 1. [11, 12] Figur 6. Till vänster i bild ses det hur lameller av ferrit (α) och karbid (M3C) växer in i austeniten (γ). Till höger syns det som kallas "Divorced eutectoid transformation" Normaliseringsglödgning Normalisering är en värmebehandlingsprocess vars huvudsyfte är att jämna ut och förfina kornstrukturen hos ett stål som blivit grovkornigt pga. uppvärmning till hög temperatur vid t.ex. smidning eller svetsning. Detta bidrar till att öka stålets styrka och seghet. [13] Till skillnad från vid mjukglödgning så skiljer sig inte processen för normalisering nämnvärt beroende på om stålet är under- eller övereutektiskt, dock skiljer sig hålltemperaturen. Kort kan sägas att materialet värms upp till en viss temperatur, se figur 3 för temperaturer med avseende på kolhalt i stålet, där stålet hålls en kort stund för att sedan luftsvalna. Efter svalningen återfår materialet sina ursprungliga faser men med skillnaden att det nu är en finare kornstruktur. Ett annat användningsområde för normaliseringsprocessen kommer av ett problem som kan finnas i övereutektoida stål där dess korngränskarbider ibland kan vara väldigt svåra att lösa upp respektive sfäroidisera. Detta leder till avsevärda försämringar i stålets duktilitet samt hållfasthet. För att bekämpa detta problem kan en normalisering göras innan eller i kombination med mjukglödgningen. [14, 8] Puckelglödgning Puckelglödgning är värmebehandlingsprocess skapad av Ovako för övereutektoida stål. Syftet är densamma som med en vanlig mjukglödgning men är tänkt att vara en snabbare process. Processen påminner om en kombination av normaliserings- och mjukglödgning. En kombination som enligt litteraturen snabbare klarar av att lösa upp svårupplösta korngränskarbider. [8] Karaktäristiskt för puckelglödgningen är den relativt snabba kylningen ner under A1 som sker mitt i processen. Detta steg kan i teorin upprepas flera gånger under en process vilket ger fler pucklar. I figur 7 ses ett exempel på hur puckelglödgningen kan se ut med enbart ett snabbkylsteg, dvs. 2 pucklar. 8

15 Temp ( C) A Tid (min) Nedan beskrivs cykeln för figur 7 kort: Figur 7. Exempel på hur puckelglödgning kan se ut. 1. Uppvärmning av materialet till en temperatur över A 1, dock fortfarande inom tvåfasområdet austenit/cementit. Tiden för uppvärmning är beroende av ugnens kapacitet att värma önskad mängd material. 2. Den första puckelns uppgift är att lösa upp korngränskarbiderna till den grad att lämplig mängd karbider återstår. Hålltiden bestäms av hur lång tid upplösningen tar. Viss flexibilitet finns vad gäller temperaturen. Högre temperatur snabbar på diffusionen [13] av kolatomerna vilket leder till att hålltiden kan kortas ner. Dock kan för hög temperatur leda till för stor upplösning och för få kvarvarande karbider samtidigt som för låg temperatur kan leda till en för dålig upplösning av korngränskarbiderna. 3. Svalning ner till perlitområdet. Här är tanken att austeniten med dess inlösta kol omvandlas till en finlamellär perlit till skillnad från den ursprungligen grovlamellära perliten som materialet haft innan glödgningen. Detta uppnås genom att ha en relativt snabb svalning då perliten blir mer finlamellär ju snabbare svalningen är. [13] För snabb svalning följt av en snabb uppvärmning kan leda till att austeniten aldrig hinner omvandlas varför en kort hålltid kan vara önskvärd för att säkerställa att alla austenitkorn hunnit omvandlas till perlit. Svalningstiden är beroende av ugnens kapacitet att kyla önskad mängd material. 4. Uppvärmning av materialet till en temperatur strax över A 1 för att kunna upplösa den finlamellära perliten som bildades i steg 3 och få fler ymppunkter (små karbider). Tiden för uppvärmning är beroende av ugnens kapacitet att värma önskad mängd material. 5. Teoretiskt ska ingen hålltid behövas då all perlit borde fasomvandlats till austenit under uppvärmningen (steg 4) genom A 1. Dock är en hålltid bra att ha då det kan finnas delar av materialet som ännu inte hunnit upp i temperatur och därmed inte slutfört fasomvandlingen. 6. Kontrollerad svalning med uppgift att undvika återbildande av perlit till 10

16 förmån för förgrovning av ymppunkterna till sfäroidiserad karbid av önskad storlek. Sker svalningen för snabbt uppstår nybildning av perlit, precis som i fallet med övereutektoid mjukglödgning och sker den för långsamt sker en förgrovning av karbiderna. Steg 6 kan, för att spara tid, delas upp i två steg. En snabbkylning ner till en temperatur strax ovanför det temperaturintervall där fasomvandlingen austenit till ferrit startar följt av den kontrollerade svalningen genom fasomvandlingens temperaturintervall. Mycket tid kan även sparas genom att inte ha en för långsam kontrollerad svalning. Det är en väsentlig skillnad i tid mellan en svalningshastighet på 10 C/h och 20 C/h men kanske ingen nämnvärd skillnad i struktur. 7. Svalning ner till rumstemperatur. Hårdheten påverkas inte av svalningshastigheten. [8] I teorin producerar puckelglödgning en sfäroidiserad struktur som har fler men mindre karbider än den klassiska mjukglödningen under förutsättningen att ingångsstrukturen i båda fallen är grovlamellär perlit, se figur 8. Detta eftersom puckelglödgning skapar perlitområden med fler och finare lameller vilket ger en jämnare fördelning av karbider i strukturen. När lamellerna löses upp vid uppvärmning över A 1 blir följden att även de kvarvarande ymppunkterna blir fler och mer jämnt fördelade i strukturen. Fler ymppunkter betyder mindre avstånd sinsemellan. Detta betyder att kolatomerna som är inlösta i austeniten har kortare avstånd att diffundera för att nå en ymppunkt vid den kontrollerade svalningen. Kolatomerna hinner helt enkelt hitta ymppunkter lättare vilket motverkar bildandet av lameller. Teoretiskt skulle detta kunna möjliggöra för en snabbare hastighet vid den kontrollerade svalningen. Fler ymppunkter innebär även fler potentiella kornbildningsställen vilket skulle kunna leda till fler men mindre korn. Figur 8. Teoretisk strukturförändring i ett korn under de två mjukglödgningsförfarandena. Överst är puckelglödgning och underst är den klassiska mjukglödgningen. 10

17 3.2. Värmeöverföring och ugnar En viktig parameter för värmebehandling av stål är ugnars förmåga att värma upp en viss mängd material till en bestämd temperatur. Detta har en stor inverkan på hur lång tid en process tar. Nedanstående kapitel tar upp lite grundläggande om värmeöverföring mellan ugn och material samt skillnaden mellan de vanligaste uppvärmningsalternativen som finns för ugnar Värmeöverföring Med värmeöverföring menas den transport av värmeenergi som sker mellan två kroppar p.g.a. dess temperaturskillnader. Det sker genom konvektion, ledning samt strålning. Inom industriell värmebehandling kan dessa sätt användas var för sig eller i kombination med varandra. [15] Värmeledning kan ske i fasta, flytande eller gasformiga medier även om det främst sker i fasta material. Det som sker är att elektroner, atomer eller molekyler med högre temperatur och därmed en större rörelseenergi än sina grannar för vidare rörelseenergin via vibrationer till sina grannar. Detta värmeflöde fortsätter till dess att ett jämviktsläge uppnåtts. Tiden för denna process bestäms av materialets värmeledningsförmåga(värmekonduktivitet), storlek och form. Två mekanismer styr materialets värmeledningsförmåga: elektronledningsbidraget samt gittersvängningsbidraget. Elektronsvängningsbidraget påverkas starkt negativt av en ökad legeringshalt samt en ökad temperatur. Dock påverkas inte gittersvängningsbidraget alls av ökad legeringshalt medan det istället gynnas av ökad temperatur. Detta betyder att rena och låglegerade ståls värmeledningsförmåga minskar med ökad temperatur medan höglegerade ståls värmeledningsförmåga ökar. I de flesta värmebehandlingsprocesser spelar värmeledning en liten roll när det kommer till att överföra värme från ugnen till materialet. Dock är detta den enda av de tre värmeöverföringssätten som transporterar vidare värme från ytan av materialet till dess centrum och är således en viktig faktor vid uppvärmning av hela materialet och inte enbart dess yta. [15, 16, 17, 18] Konvektion av värme kan beskrivas som ett värmeutbyte mellan olika medier där ett medium överför värme till ett annat. Konvektion kan ske på två vis: Naturligt eller påtvingat. Naturlig konvektion sker till en följd av att det uppstår densitetsskillnader i en gas eller vätska på grund av atmosfärens temperaturskillnader. Varm gas eller vätska får en lägre densitet än kall, vilket gör att det varma förflyttas uppåt medan de kalla förflyttas nedåt. Tillförs värme kontinuerligt kommer mediet strömma runt av sig själv. Påtvingad konvektion kallas det när mediet ges en viss rörelse av yttre krafter så som t.ex. fläktar, pumpar eller brännare. Med ökad hastighet på mediet kan värmeöverföringen via konvektion kraftigt förbättras. Dock så börjar effektiviteten minska för temperaturer över 480 C. [15, 16, 17, 18] 10

18 Strålning är den enda av de tre som transporterar värme utan kontakt mellan medier. Värmen transporteras istället från det varma mediets yta till det kalla mediets yta via elektromagnetisk strålning. Strålning kan beskrivas som en vågrörelse där den dominerade våglängden för värmestrålningen ligger mellan 0,8 och 40 µm och färdas i ljusets hastighet. Förmågan hos ett material att emittera och absorbera värmestrålning är beroende av ytans beskaffenhet Mediets fysikaliska egenskaper samt temperatur avgör strålningens intensitet. Emissivitet- och arbsorberingsvärdet är nära på samma för de flesta material. Polerade(blanka) ytor har relativt låg emissivitet (0,03 0,08) jämfört med t.ex. oxiderade metaller (0,6 0,85) där 1 motsvarar 100 %. [15, 16, 17, 18] Till skillnad från konvektion vars effektivitet börjar minska över 480 C så ökar strålningens effektivitet med stigande temperatur. Detta kan studeras närmare i figur 9. Figur 9. Strålningens och konvektionens betydelse för värmeöverföringen vid olika temperaturer. [18] Uppvärmning av ugnar Det finns många typer av ugnar inom industrin och hur de klassificeras. En metod är att titta på hur en industriugn värms upp. Det finns två huvudområden: elektriskt värmda ugnar och bränsleeldade ugnar. Båda alternativen har sina för- och nackdelar. [19] Den största fördelen med elektriska ugnar är att de initialt har generellt låga investeringskostnader i jämförelse med bränsleeldade ugnar, dock har elenergi ofta en hög kostnad vilket i längden kan göra elugnar till det dyrare alternativet. Elugnar har även fördelen av att de kräver förhållandevis lite service och har en enkel teknik samt fungerar bra inom alla temperaturområden. Den låga ljudnivån och avsaknaden av avgaser gör driften relativt ren och miljövänlig samtidigt som omgivningstemperaturen runt ugnen förblir låg. När det kommer till bränsleeldade ugnar används ofta gasol, naturgas eller restgaser från t.ex. en koksugn eller masugn som bränsle. Beroende på prissättning och tillgången på gas kan bränsleeldade ugnar ha lägre driftskostnader trots dess lägre verkningsgrad, 50 70%, jämfört med elektriskt värmda ugnar vars verkningsgrad överstiger 85 %. Mindre glödskalsbildning fås jämfört med elektriska ugnar p.g.a. den atmosfär som bildas samtidigt som effektiv värmeöverföring till godset sker genom samtidig konvektion och strålning. Invecklade styr- och säkerhetssystem, uppstartssekvenser vid driftsavbrott samt krav på plats för extra utrustning gör att valet av uppvärmningsmetod ej är självklart. [20] 11

19 4. Metod 4.1. Laboratorieugnstest En testkörning i en elektrisk laboratorieugn av typ Rohde TV 504 har utförts för att närmare kunna studera materialets struktur och dess förändringar under olika tidpunkter i en cykel, kallad Cykel 0. Ugnen var begränsad på så vis att den saknade möjligheter att genomföra kontrollerad uppvärmning, svalning samt hålltider varför detta var tvunget att göras manuellt genom att bl.a. öppna luckan, manuellt ställa upp/ned temperaturen eller stänga av ugnen. Som riktvärde användes ett termoelement placerat inuti en bit stång som låg i ugnen under hela försöket. Totalt 11 provkutsar användes i försöket. När en kuts plockades ut slängdes den i vatten för att få en martensitomvandling vilket ger en ögonblicksbild av strukturen. Cykel 0 finns representerad i figur 10 samt tabell 4. Tidpunkter och temperaturer för när provbitarna plockades ut finns i tabell 5 under avsnitt 5.2. Ett prov av icke-glödgad stång har även tagits för att dels se ingångsstrukturen men även kornstorleken för att kunna ha som referens vid framtida jämförelser. Figur 10. Diagram över Cykel 0 som användes i ugnstestet. Cirklarna med siffrorna i representerar tillfällen då en kuts plockades ut ur ugnen Dilatometertester Dilatometertester har gjorts för att få en grov uppskattning om fasomvandlingarnas, perlit till austenit och vice versa, temperaturintervall vid olika uppvärmnings- och svalningshastigheter. I dilatometern genomfördes även flera puckelglödgningsförsök. 4 olika cykler kördes och finns redovisade i tabell 4. Cykel 1 är snarlik den cykel som kördes i laboratorieugnen med skillnaden att de två uppvärmningsstegen i denna cykel endast är 10 minuter långa. Alla 3 stålsorter, 803P, 825B samt 837R, testades i denna cykel. 12

20 Cykel 1+ är även den snarlik laboratorieugnstestet med skillnaden att de två uppvärmningsstegen istället är 40 minuter vardera. Detta för att se om skillnaden i uppvärmningstid gjorde någon skillnad i strukturen eller hårdheten hos materialet. Endast stålsort 803P testades i denna cykel. I Cykel 2 har hålltiden i puckel 1 sänkts jämfört med tidigare cykler från 100 minuter till 60 minuter. Den första svalningstemperaturen har sänkts till 670 C. Puckel 2 har fått sin temperatur ändrad till 790 C. Den kontrollerade svalningen har även ändrats från tidigare C till C. Cykel Hofors är ett försök att återskapa Bilaga 93 som körs i Hofors idag. Tabell 4. Tabell innehållande data för samtliga cykler körda i dilatometern plus Cykel 0 som kördes i laboratorieugnen. Cykel 0 Cykel 1 Cykel 1+ Cykel 2 Cykel Hofors Tid (min) Temp ( C) Tid (min) Temp ( C) Tid (min) Temp ( C) Tid (min) Temp ( C) Tid (min) Temp ( C) Provpreparering Provpreparering har genomförts enligt gängse praxis. Metallkutsarna har polerats samt etsats i 3 % nital. Då dilatometerproverna var väldigt små och svåra att hantera gjöts de in i en bakelitkuts för att underlätta provpreparering samt hårdhetsmätning Mikroskopering All mikroskopering är gjord i ett ljusoptiskt mikroskop där samtliga strukturbilder är tagna. Strukturen betygsätts enligt SEP 1520:1998 Microscopic examination of carbide structure in steels by means of diagram series och betygsättningen har gjorts av labbpersonal i Hällefors. Tre parametrar används i strukturbedömningen: CG = Karbidstorlek, se BILAGA 2 för strukturkarta. PA = Perlitandel, se BILAGA 3 för strukturkarta. CN = Karbidnätverk, se BILAGA 4 för strukturkarta. Det skall poängteras att strukturbetygen är en bedömningsfråga, vilket betyder att en och samma operatör kan vid olika tillfällen ge ett och samma prov olika strukturbetyg. Något som inte upptäcktes vid första kontrollen kan upptäckas vid den andra kontrollen eller vice versa. Ju fler bedömningar desto rättvisare bild fås. 13

21 Tabell 5. Strukturkrav vad gäller karbidstorlek, perlitandel samt karbidnätverk. Data saknas för stålsort 837R men antas ligga nära de krav som finns för de andra två stålsorterna. Strukturkrav 803P 825B 837R CG 2,1-2,3 2,1-2,3? PA 3,0 3,0? CN Max 4,2 4,2? 4.5. Hårdhetsmätning Hårdhetsprovningen har utförts i Vickers(HV). Fördelen med vickers är att intrycken blir likformiga oavsett belastning över 200g, vilket gör dem jämförbara. [21] HV10 (10 kg belastning) har använts på metallkutsarna. 3 intryck gjordes på varje kuts där de är gjorda 2, 7 och 14,5 mm från ytan in mot centrum. De hårdhetsvärden som presenteras i kapitel 5 som HV10 kommer att vara ett medelvärde av dessa 3 intryck. Kutsarnas är mm i diameter. På dilatometerproverna har HV1 (1 kg belastning) använts. Detta på grund av dilatometerprovens storlek, 4 mm i diameter, samt att de sitter i en bakelitkuts. På dessa gjordes 5 intryck tvärs över provet från ena kanten till den andra. De hårdhetsvärden som presenteras i kapitel 5 som HV1 kommer att vara ett medelvärde av dessa 5 intryck. Värdena för samtliga intryck finns i BILAGA 5. Hårdhetskrav i HV saknas för de tre stålsorterna varför hårdheten endast kommer redovisas utan någon bedömning om de är godkända eller inte Kontugn 14, Bilaga 93 och Rullhärdugn 1, Bilaga 60 En testkörning utfördes i Hofors Kontugn 14. I denna ugn körs idag Bilaga 93 vilket är en puckelglödgningscykel. Ett körschema över Bilaga 93 ses i tabell 3. Syftet med testkörningen är att se om Bilaga 93 och Kontugn 14 klarar av mattor med fler än ett lager då det finns en risk att stänger placerade i mitten av en flerlagermatta inte hinner med att värmas respektive kylas i önskad hastighet på samma sätt som enkellagermattor vilket kan leda till icke önskvärd struktur och/eller hårdhet. I försöket användes 121 stycken 8 meter långa stänger av stålsort 803P, Ø mm, med en styckevikt på 41,81 kg. Det ger en metervikt på cirka 630 kg/m. Något lägre än den teoretiska maxvikten på 750 kg/m som ugnen enligt teorin klarar av. 8 stänger på olika platser i mattan markerades för att senare strukturbedömas samt hårdhetsmätas. I figur 11 visas hur mattan samt de 8 provstängerna lastats. En provstång har skickats med på en matta i Rullhärdugn 1, Bilaga 60, för att få en strukturbedömning samt hårdhetsmätning från den process som körs idag. Stången lades längst upp på mattan. 14

22 Figur 11. Färdiglastad matta redo för inkörning i Kontugn 14. Provstängerna är numrerade

23 5. Resultat 5.1. Fasomvandlingsintervall Resultatet från de två uppvärmnings- samt svalningshastigheterna finns i tabell 6 nedan. Av siffrorna framgår det att resultaten från de två hastigheterna inte skiljer sig nämnvärt och stämmer bra in på det A 1-värde som finns i tabell 2 i avsnitt 2.1. Tabell 6. Fasomvandlingsintervall för stålsort 803P vid uppvärmning och svalning. 803P Uppvärmning ( C) Svalning ( C) Start Slut Start Slut 100 C/h C/h Laboratorieugnstest Nedan kommer strukturbilder för samtliga prover från laboratorieugnstestet att visas samt den ursprungliga strukturen innan värmebehandling. I tabell 7 finns data för vilka tidpunkter och temperaturer som proverna plockades ut ur ugnen. I slutet av avsnittet finns data för strukturbetyg samt hårdhet. Tabell 7. Temperatur, tid samt hålltid för när de olika provbitarna plockades ut. Prov nr. Temp ( C) Tid (min) Hålltid (min) Ursprungsstrukturen hos stålsort 803P efter varmvalsning, det material som körts i laboratorieugn, kan ses i figur 12 nedan. Tydliga perlitområden omgivna av svart nätformad korngränskarbid. HV10 för Prov EV är 352,0. 16

24 Figur 12. Prov EV. Stålsort 803P. Struktur efter varmvalsning. 1000x förstoring. Prov 1 plockades ut så fort materialet nått önskad temperatur på 820 C. Temperaturen uppnåddes efter 42 minuters uppvärmning. Figur 13 visar tydligt att det finns korngränskarbid kvar i strukturen samtidigt som ingen perlit gick att finna. Figur 13. Prov 1. Stålsort 803P. Struktur efter 0 minuters hålltid i den första puckeln. 820 C. 1000x förstoring. Prov 2 plockades ut efter 50 minuters hålltid i 820 C. Figur 14 visar att korngränskarbiderna kraftigt reducerats även om det fortfarande går att se vissa spår av vart de tidigare funnits i strukturen. 17

25 Figur 14. Prov 2. Stålsort 803P. Struktur efter50 minuters hålltid i den första puckeln. 820 C. 1000x förstoring. Prov 3 (figur 15) och Prov 4 (figur 16) plockades ut efter 75 respektive 100 minuters hålltid i 820 C. Inga nämnvärda spår kvar av korngränskarbider eller skillnader i strukturen. Figur 15. Prov 3. Stålsort 803P. Struktur efter 75 minuters hålltid i den första puckeln. 820 C. 1000x förstoring. 18

26 Figur 16. Prov 4. Stålsort 803P. Struktur efter 100 minuters hålltid i den första puckeln. 820 C. 1000x förstoring. I figur 17 ses strukturen hos Prov 5, som plockades ut ur ugnen efter 30 minuters svalning ner till 680 C. Det mörka bruset är med stor sannolikhet en väldigt finlamellär perlit. Så fin att lamellerna inte syns på samma tydliga sätt som på Prov EV i figur 12. Noterbart är även att korngränskarbiderna behåller sin nya sfäroidiserade form istället för den nätform som fanns innan värmebehandlingen. Det är oklart om de vita kornen som syns är martensit som bildats på grund av ofullständig perlitomvandling eller om det är samma typ av korn som man kan se i figur 23 hos färdigglödgat material. Kompletterande dilatometertest med lägre sluttemperatur redovisas i avsnitt Figur 17. Prov 5. Stålsort 803P. Struktur efter svalning ner till 680 C. 1000x förstoring. 19

27 Prov 6, 7 och 8 är alla tagna under olika tidpunkter i den andra puckeln. Uppvärmningen från 680 C till 770 C tog 29 minuter. I figur 18, 19 och 20 syns inga nämnvärda skillnader mellan strukturerna. Inga spår av perlit syns i något av proven. Figur 18. Prov 6. Stålsort 803P. Struktur efter 0 minuters hålltid i 770 C. 1000x förstoring. Figur 19. Prov 7. Stålsort 803P. Struktur efter 15 minuters hålltid i 770 C. 1000x förstorning. 20

28 Figur 20. Prov 8. Stålsort 803P. Struktur efter 30 minuters hålltid i 770 C. 1000x förstorning. Prov 9 togs ut för att säkerställa att ingen perlit hade hunnit bildas. Materialet kyldes ned från 770 C till 740 C på 23 minuter. Strukturen för Prov 9 kan ses i figur 21 där ingen perlit förekommer. Förklaringen till varför detta kylsteg utförs finns att läsa i avsnitt punkt 6. Figur 21. Prov 9. Stålsort 803P. Struktur efter kylning ned till 740 C. 1000x förstorning. 21

29 Prov 10 och 11 är båda tagna efter den kontrollerade svalningen som också är det sista steget i cykeln. Svalningshastigheten låg på cirka 15 C/h. Skillnaden mellan proven ligger i att prov 10 togs ut direkt efter den kontrollerade svalningen vid 690 C och släcktes i vatten medan prov 11 först tilläts luftsvalna ned till ca 450 C innan den släcktes. Syftet var att se om skillnader i struktur eller hårdhet skulle uppstå. Som syns i figur 22 och figur 23 har båda proverna en väldigt fin struktur, fullt sfäroidiserad. Figur 22. Prov 10. Stålsort 803P. Struktur efter kontrollerad svalning ner till 690 C. 1000x förstorning. Figur 23. Prov 11. Stålsort 803P. Struktur efter luftsvalning ner till ca 450 C. 1000x förstoring. 22

30 Strukturbedömning och hårdhetsmätning har gjorts på både Prov 10 och 11. Som framkommer i tabell 8 visar båda provbitarna på goda resultat vad gäller struktur. Ingen egentlig skillnad går heller att hitta mellan de två proven vilket tyder på att varken struktur eller hårdhet påverkas nämnvärt under 690 C oavsett svalningshastighet. Tabell 8. Resultatet av strukturbedömning och hårdhetsmätning på prov 10 och 11. Stålsort 803P. Prov HV10 CG PA CN ,5 2,1 3,0 4, ,5 2,1 3,0 4, Dilatometertester Svalningstemperatur Dessa dilatometertester har gjorts för att undersöka om de vita korn som uppkommit i Prov 5, figur 17, kan ha varit martensitkorn som uppkommit på grund av ofullständig perlitomvandling till följd av en otillräcklig temperatursänkning. Då Prov 5 i laboratorieugnstestet plockades ut vid 680 C kommer ett prov, kallat Prov ST 1, att släckas vid 680 C för att se om samma fenomen uppstår även i dilatometertestet. Det andra provet, kallat Prov ST 2, kommer släckas vid 660 C. Endast stålsort 803P testades. I figur 23 ses strukturen hos Prov ST 1. Samma fenomen med vita korn observeras som hos Prov 5. I Prov ST 2 (figur 24) syns inga vita korn vilket tyder på att de tidigare vita kornen kan ha varit martensitkorn. Figur 23. Prov ST 1. Stålsort 803P. Struktur efter 30 minuters kylning ned till 680 C. 1000x förstorning. 23

31 Figur 24. Prov ST 2. Stålsort 803P. Struktur efter 30 minuters kylning ned till 660 C. 1000x förstoring Puckelglödgning i dilatometer I följande avsnitt kommer strukturbilder, strukturbedömning samt hårdhet att presenteras för samtliga dilatometerprover som genomgått någon av Cykel 1, Cykel 1+, Cykel 2 eller Cykel Hofors. Notera även att hårdheten för dessa prover är mätt i HV1 till skillnad från tidigare HV10. I tabell 9 finns data på strukturbedömningen samt hårdheten. Figur 25 visar slutstrukturen hos stålsort 803P efter att den genomgått Cykel 1. Figur 25. Prov 803P Cykel 1. 24

32 Figur 26 visar slutstrukturen hos stålsort 825B efter att den genomgått Cykel 1. Figur 26. Prov 825B Cykel 1. Figur 27 visar slutstrukturen hos stålsort 837R efter att den genomgått Cykel 1. Figur 27. Prov 837R Cykel 1. Figur 28 visar slutstrukturen hos stålsort 803P efter att den genomgått Cykel

33 Figur 28. Prov 803P Cykel 1+. Figur 29 visar slutstrukturen hos stålsort 803P efter att den genomgått Cykel 2. Figur 29. Prov 803P Cykel 2. Figur 30 visar slutstrukturen hos stålsort 803P efter att den genomgått Cykel Hofors. 26

34 Figur 30. Prov 803P Cykel Hofors. Proverna har visat på en fin struktur och jämn hårdhet sinsemellan vilket finns att se i tabell 9. Undantaget är 837R vars hårdhet avviker en del. Detta tros bero på att stålsorten i sig är hårdare och inte att mjukglödgningen varit misslyckad. Som väntat visar Prov 803P Cykel 1 på en högre hårdhet än Prov 803P Cykel 1+ och Prov 803P Cykel 2 även om skillnaderna i det stora hela är små. Detta misstänks bero på den korta uppvärmningstiden som Prov 803P Cykel 1 haft jämfört med Prov 803P Cykel 1+ samt på att Prov 803P Cykel 2 bland annat haft en högre temperatur i den andra puckeln. Båda dessa saker tros ha bidraget till diffusionen. Generellt kan sägas att högre temperatur och/eller längre tid vid en hög temperatur leder till mer mängd genomförd diffusion vilket i sin tur gör stålet mjukare. Det är därför samma stålsort med synnerligen liknande struktur kan ha en viss hårdhetsskillnad. Tabell 9. Strukturbetyg samt hårdhet. Notera att värdet för HV1 är ett medelvärde av 5 intryck. Prov HV1 CG PA CN 803P Cy 1 200,8 2,1 3,0 4,1 825B Cy 1 196,2 2,1 3,0 4,1 837R Cy 1 219,8 2,1 3,0 4,1 803P Cy ,2 2,1 3,0 4,1 803P Cy 2 190,0 2,1 3,0 4,1 803P Cy Hofors 198,8 2,1 3,0 4,1 27

35 5.4. Testkörning i Bilaga 60 och Bilaga 93 I följande avsnitt kommer strukturbilder, strukturbedömning samt hårdhet att presenteras för det prov som körts i Bilaga 60 i Hällefors, Prov RH1, samt de prover som körts i Bilaga 93 i Hofors, Prov H2-H8. En av de provstänger som kördes i Bilaga 93 fastnade tyvärr i ugnen och därför existerar inget Prov H1. Samtliga prov i detta kapitel är av stålsort 803P. I figur 31 syns strukturen hos Prov RH1. Fin struktur utan något synligt karbidnätverk. Det skall dock noteras att denna stång legat längst upp på en matta och inte i centrum av en matta vilket underlättat uppvärmningen och således sfäroidiseringen av karbidnätverket. Figur 31. Prov RH1. Stålsort 803P. Strukturen efter körning i Bilaga 60, Hällefors. I figur 32 t.o.m. figur 38 visas strukturbilder från samtliga prover som mjukglödgats i Bilaga 93, Hofors. Provens placering i mattan går att se i figur 11, avsnitt

36 Figur 32. Prov H2. Stålsort 803P. Strukturen efter körning i Bilaga 93, Hofors. I figur 32 syns strukturen hos Prov H2. Provet visar på en, likt Prov RH1, väldigt fin struktur utan några direkt synliga rester av korngränskarbider. Figur 33. Prov H3. Stålsort 803P. Strukturen efter körning i Bilaga 93, Hofors. I figur 33 syns strukturen för Prov H3. I detta prov ser man tydliga rester av ej sfäroidiserade korngränskarbider. 29

37 Figur 34. Prov H4. Stålsort 803P. Strukturen efter körning i Bilaga 93, Hofors. I Prov H4, som ses i figur 34, syns samma typer av ej sfäroidiserade korngränskarbider. Figur 35. Prov H5. Stålsort 803P. Strukturen efter körning i Bilaga 93, Hofors. Figur 35 visar strukturen hos Prov H5. Provet har en fin struktur utan några synliga rester av korngränskarbider. 30

38 Figur 36. Prov H6. Stålsort 803P. Strukturen efter körning i Bilaga 93, Hofors. Strukturen i Prov H6 finns illustrerad i figur 36. Även i detta prov finns spår av ej sfäroidiserade korngränskarbider. Figur 37. Prov H7. Stålsort 803P. Strukturen efter körning i Bilaga 93, Hofors. Figur 37 visar strukturen i Prov H7. Även här finns tydliga spår av ej sfäroidiserade korngränskarbider. 31

39 Prov H8 som syns i figur 38 visar inga tydliga spår av korngränskarbider. Figur 38. Prov H8. Stålsort 803P. Strukturen efter körning i Bilaga 93, Hofors. I tabell 10 syns strukturbetyg och hårdhet för samtliga prover. Det som kan sägas är att jämförelsen av strukturbetyg och hårdhet mellan provet som mjukglödgats i Hällefors, Prov RH1, och proven, Prov H2-H8, som mjukglödgats i Hofors är att de är förhållandevis lika. Intressant är att Prov RH1 har ett högre CG-värde än Hoforsproverna. Inga definitiva slutsatser kan dras av detta då bara ett prov tagits men två orsaker till detta kan vara dels den teori som nämnts i slutet av avsnitt Puckelglödgning. Eftersom puckelglödgningen omvandlar strukturen till finlamellär perlit innan sfäroidiseringen producerar puckelglödgningen finare karbider. En annan orsak kan vara att Bilaga 60 är en väldigt långsam process och i synnerhet har en väldigt långsam kontrollerad svalning vilket betyder att stången under lång tid haft en väldigt hög temperatur vilket har gynnat diffusionen. Kolatomerna har således haft gott om tid och möjlighet att diffundera och binda sig till varandra vilket skapat större karbider. Vissa Hoforsprov har istället ett högre CN-värde. CN-värdet för Prov H6 och Prov H7 ligger precis på gränsen för godkänt. Även Prov H3 och Prov H4 visar på liknande tendenser. Detta tros bero på att ugnen inte är anpassad för att klara av denna typ av tjocka mattor samt den mängd material som lastats. Vissa stänger har troligen inte kommit upp i temperatur snabbt nog i någon eller båda pucklarna, om de ens gjort det, vilket har försämrat kolatomernas möjligheter att diffundera och lämna karbidnätverket. Tabell 10. Betyg av struktur samt hårdhet av Prov RH1 plus Prov H2-H8. Notera att HV10-värdena är ett medelvärde av 3 intryck. Prov RH1 H2 H3 H4 H5 H6 H7 H8 HV10 185,6 190,5 194,6 189,2 186,8 191,2 193,2 191,1 CG 2,2 2,1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,1 PA 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 CN 4,1 4,1 4,1 4,1 4,1 4,2 4,2 4,1 32

40 5.5. Kornstorlek I detta kapitel kommer strukturbilder av vissa utvalda 803P-prover att studeras i syfte att avgöra om de olika processerna resulterar i varierande kornstorlekar. Detta då puckelglödgningen påminner om en kombination av normaliseringsglödgning följt av en mjukglödgning. Prov EV, som är utgångsmaterialet, kommer tillsammans med Prov RH1, Prov 11 samt Prov H4 att studeras för att se om någon skillnad uppstår före respektive efter mjukglödgning. Figur 39. Prov EV. Stålsort 803P. Strukturen efter varmvalsning och innan mjukglödgning. 100x förstoring. I figur 39 visas Prov EV som är det varmvalsade ursprungsmaterialet innan mjukglödgning. Figur 40. Prov RH1. Stålsort 803P. Strukturen efter körning i Bilaga x förstoring. 33

41 Figur 40 visar strukturen hos Prov RH1. Märkbart mindre korn än i Prov EV vilket var väntat. Figur 41 visar strukturen hos Prov 11. Märkbart mindre korn än i Prov EV men jämnstora med Prov RH1. Figur 41. Prov 11. Stålsort 803P. Strukturen efter körning i Cykel x förstoring. Figur 42. Prov H4. Stålsort 803P. Strukturen efter körning i Bilaga x förstoring. Figur 42 visar strukturen hos Prov H4. Märkbart mindre korn än i Prov EV men jämnstora med Prov RH1 och Prov

42 Utifrån figurerna är slutsatsen att ingen nämnvärd skillnad i kornstorlek går att finna mellan de olika proven. 35

43 6. Diskussion Av de tester som gjorts inför ramen av detta projekt pekar samtliga på att puckelglödgning är en ur materialsynpunkt fullt fungerande mjukglödgningsprocess. Detta bekräftas av både labbugnstestet, avsnitt 5.2, som gjorts samt de cykler som körts i dilatometern, avsnitt Samtliga labprover har fått fina strukturbedömningar och med hårdhetsvärden som ligger relativt nära det hårdhetsvärde som prov RH1 (Bilaga 60) visade. Cykel 1 som kördes i dilatometern visar även att puckelglödgning är en process som går att anpassa till att klara flera olika stålsorter. Det är högst troligt att en och samma puckelglödgningscykel kan fungera på fler stålsorter än de som testats i detta projekt, under förutsättning att stålsorterna har liknande kemisk sammansättning och A 1- värden samt att processen finslipas för att passa önskade stålsorter. Detta bekräftas även av det faktum att Hofors idag kör många olika stålsorter i Bilaga 93 om än främst 800-stål. Det finns dock saker med puckelglödgning som kan ställa till problem ute i den riktiga produktionen. Dels det faktum att processen innehåller en kylzon mitt i ugnen. Detta låser ugnen till en viss typ av cykel vilket innebär att ugnen generellt blir mindre flexibel. Uppvärmningstider och hålltider innan kylzonen kan inte nödvändigtvis ökas då det kommer krocka med kylzonen, vilket gör att stegen innan kylzonen inte har något större utrymme för justering. Hastigheten i ugnen går visserligen att sakta ned om man vill ge mer tid till uppvärmning eller längre hålltid innan kylzonen, men det saktar samtidigt ned hela processen. Det är möjligt att detta problem går att undvika genom att konstruera kylzonen på så vis att den även kan användas som en vanlig högtempererad zon. Ett kylmoment mitt i en cykel gör även att materialet måste värmas upp ännu en gång vilket blir en onödig förlust energimässigt jämfört med Bilaga 60. Extra också då ett material är som svårast att värma upp i slutet. I BILAGA 1 syns det att det tar flera timmar att få upp materialet från 750 C till 800 C. Det är förmodligen inget stort problem att snabbt värma materialet i Hofors då de lastar enkellager, och då ofta rör, som är väsentligt lättare att värma upp än flera lager av tätt packade stänger som görs i Hällefors. Det kan säkert förbättras med en effektivare ugn men det blir likväl ett extra uppvärmningsmoment. Anledningen till att kylmomentet i processen finns till är, som nämnts i avsnitt 3.1.3, för skapa en finlamellär perlit som i sin tur bidrar till en finare slutstruktur. Jämförelser mellan referensprovet RH1, som körts i Bilaga 60 utanför labbmiljö, och de olika puckelglödgningsproverna från avsnitten 5.2, samt 5.4 visar att puckelglödgningen genererar finare karbider. Samtidigt uppvisades ingen skillnad i kornstorlek. De prover som kommer från den riktiga processen i Hofors visar likt labbproverna på ett bättre CGvärde än referensprovet RH1 men även på ett högre CN-värde. Det högre värdet tros dock inte bero på kylmomentet i puckelglödgningen utan på att Bilaga 93 har en för kort uppvärmningstid och/eller hålltid för stålet. Ugnen klarade inte av att värma upp materialet tillräckligt snabbt för att lösa upp karbidnätverket. Ingen skillnad i kornstorlek gick heller att se mellan prover från de olika körningarna (avsnitt 5.5). För att Bilaga 93 utanför labbmiljö ska kunna producera en minst lika fin struktur som finns i referensprovet RH1 skulle lasten behöva vara mindre än de 630 kg/m som användes i testkörningen i Hofors alternativt måste Bilaga 93 justeras till att ha en längre hålltid över A 1 för att möjliggöra en fullständig sfäroidisering av karbidnätverket. Båda dessa lösningar innebär en minskning av den teoretiska produktionen/h som visas i tabell 3. Att kyla och värma en stor volym tätt packad stång är svårt vilket kan leda till att en mindre mängd material måste köras. Detta kompenseras dock delvis av den betydligt snabbare hastigheten. Det är dock ugnens kapacitet att snabbt kunna kyla och värma, som blir avgörande för hur mycket material som kan lastas. Men med tanke på att Kontugn 14 i Hofors, som är byggd specifikt för att klara 36

44 puckelglödning, har problem med att mjukglödga 630 kg/m stång trots den teoretiska maxvikten på 750 kg/m ser det inte allt för lovande ut. En ytterligare aspekt att ta hänsyn till är att fler men volymmässigt mindre mattor leder till fler luckor i ugnen mellan mattorna, vilket i längden blir ett betydande produktionsbortfall. Även detta leder till ytterligare en minskning av den teoretiska produktionen/h. En för snabb ugnshastighet ställer även höga krav på kringutrustning och personal. Med en ugnshastighet på 7 m/h och stänger på 4 meter innebär det att en ny matta måste lastas var 35:e minut. Att en operatör, som är det antal som sköter inlastningen idag, ska hinna med att lasta en matta med 4 meter långa stänger varje halvtimme samtidigt som även 2 andra ugnar ska lastas är högst tveksamt för att inte säga omöjligt med den utrustning som finns idag. Även om endast stänger längre än 7 meter lastas tillkommer problem då stänger med små dimensioner, vilka är vanligt förekommande, ska lastas. Krokiga stänger och trassel är vanligt förekommande vid lastning av klena stänger, vilket drar ut på tiden jämfört med lastning av korta och/eller tjocka stänger. Utöver själva lastningsproblematiken vid hög ugnshastighet finns som nämnts ovan även problem med kringutrustning. Både den som lastar in mattorna och den som lastar ut dem använder samma travers vilket skulle vara väldigt svårt att klara av med de små tidsmarginaler som skulle uppstå. Den snabba ugnshastigheten kan även leda till att provtagning i anslutning till utlastningen i vissa situationer blir omöjlig att genomföra då det blir för kort med tid mellan mattorna, vilket innebär att uppgiften måste flyttas till annan personal. Detta innebär dock inte att det inte finns saker att lära av Bilaga 93. Som nämnts i avsnitt 2.2 är vissa moment i Bilaga 60 långt ifrån optimerade, kanske på grund av den stora spridning i antal stålsorter som mjukglödgas i Bilaga 60. Främst hastigheten på den kontrollerade svalningen och det temperaturintervall som den kontrollerade svalningen sker i. Det är möjligt att det går att optimera båda två redan idag utan att bygga om ugnen. Öka hastigheten på den kontrollerade svalningen och/eller minska temperaturintervallet. Är det någon stålsort som inte klarar av optimeringen kan den flyttas över och mjukglödgas i Rullhärdugn 3 som även den kör Bilaga 60. Rullhärdugn 1 skulle kunna fokusera på att enbart mjukglödga 803-stål då det är en sådan stor volym, alternativt 803-stål plus andra stålsorter som klarar av samma cykel. Effektivare uppvärmning av materialet är även det något som borde gå att förbättra vid en ombyggnation av ugnen. Eftersom diffusionshastigheten ökar vid högre temperaturer [13] öppnar det även upp möjligheten till en kortare hålltid över A 1. Bilaga 93 gör ovan nämnda saker mycket bättre och det, tillsammans med det faktum att endast enkellager lastas, är de största anledningarna till varför den cykeln klarar av att hålla högre hastighet än Bilaga 60. Inte att den har ett kylmoment mitt i processen. Processen skulle i teorin kunna snabbas på ytterligare om kylmomentet togs bort. Bedömningen är således att det under de förutsättningar som råder i Hällefors idag är bättre att ha en större volym material i en långsammare ugn än en mindre volym material i en snabbare ugn även om Bilaga 60 borde kunna optimeras för att gå snabbare med bibehållen vikt per meter. Ett exempel på hur det skulle kunna se ut i förhållande till Bilaga 60 och Bilaga 93 finns i figur 43 nedan. 37

45 Figur 43. En jämförelse mellan Bilaga 60, Bilaga 93 och ett exempel på hur en optimerad Bilaga 60 skulle kunna se ut med kortare uppvärmningstid, högre temperatur över A1, snävare temperaturintervall vid den kontrollerade svalningen samt snabbare svalningshastighet vid den kontrollerade svalningen. 38

46 7. Slutsatser Puckelglödgningsprocessen har simulerats i labbmiljö genom ett labbugnstest och flera dilatometertester. Test har även gjorts utanför labbmiljön då stång från Hällefors mjukglödgades i Hofors egen ugn inställd på Bilaga 93 vilket är en puckelglödgningsprocess. Proverna jämfördes sedan för att kunna utvärdera vilka eventuella skillnader som fanns i struktur och/eller hårdhet. Den verkliga puckelglödgningsprocessen i Hofors har även ställts i förhållande till den mjukglödgningsprocess som används i Hällefors för att kunna se praktiska skillnader och vilka eventuella fördelar/nackdelar puckelglödgningsprocessen kan ha i jämförelse med mjukglödgningsprocessen i Hällefors. Efter utvärdering kan följande slutsatser dras: I labbmiljö, och under rätt omständigheter utanför labbmiljön, fungerar puckelglödgning som vilken mjukglödgningsprocess av övereutektoida stål som helst. Kylmomentet i puckelglödgningscykeln har inom ramen för denna rapport visat sig ha viss betydelse för materialets slutstruktur efter mjukglödgning. Kylmomentet i puckelglödgningscykeln begränsar den lilla flexibilitet som finns vid mjukglödgning vad gäller ugns- och cykeldesign. I teorin kan kylmomentet bidra till att en snabbare kontrollerad svalning kan användas vilket skulle spara tid. Samtidigt tar kylmomentet i sig upp extra tid i processen vilket skulle kunna innebära att det istället blir en tidsförlust totalt. En långsam mjukglödgningsprocess är av praktiska skäl att föredra framför en snabb mjukglödgningsprocess under förutsättning att den producerade mängden material per timme är snarlik. Optimering av nuvarande Bilaga 60 är att föredra framför ett byte till puckelglödgning. Flytt av stålsorter till Rullhärdugn 3: Bilaga 60 som inte klarar av en eventuell optimering av Bilaga 60 och låt Rullhärdugn 1 fokusera på få men volymmässigt stora stålsorter. 39

47 8. Rekommendationer till fortsatt arbete Följande punkter är förslag till fortsatta arbeten som kan bidra till att öka produktionstakten i Rullhärdugn 1: Undersöka vilka möjligheter till optimering av Bilaga 60 som går att implementera utan en ombyggnation av Rullhärdugn 1. Undersöka vilka möjligheter till optimering av Bilaga 60 som går att implementera efter en ombyggnation av Rullhärdugn 1. Undersöka 800-stålens olika förutsättningar som t.ex. fasomvandlingsintervall vid olika svalningstemperaturer samt hur snabb svalning de kan klara av utan att perlit bildas. Detta för att kunna finna vilka stålsorter som beter sig snarlikt och lätt kan köras tillsammans i en optimerad cykel. Mer kunskap om de olika stålens beteende och förutsättningar är viktigt för att kunna skapa bättre processer. Ytterligare studier av puckelglödgat stål. Det kan finnas fördelar med puckelglödgat stål, som inte kunnat testas inom ramen för detta examensarbete, som kan öppna upp fler möjligheter när det kommer till att förbättra stålets egenskaper. T.ex bättre strukturtester istället för de enkla bedömningarna som görs på labb idag, drag- och slagprov på puckelglödgat stål. 40

48 Referenser [1] Ovako. [Online]. Available: [Använd ]. [2] Nationalencyklopedin, [Online]. Available: [Använd ]. [3] N. L. Luzginova. Zhao. J. Sietsma, The Cementite Spheroidization Process in High- Carbon Steels with Different Chromium Contents, Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 39, nr 3, pp , [4] K.-E. Thelning, V. Värmebehandling, i Bofors handbok, Värmebehandling av stål, Göteborg, Maskingaktiebolaget Karlebo, 1967, pp [5] S. Brennert, Kolstålens värmebehandling (teori), i Materiallära, Stockholm, Maskingakiebolaget Karlebo, 1973, pp [6] E. Nygren, G. Folke och S. Modin, Sfäroidisering av cementit, i Sandvikens handbok: Järnets och stålets metallografi, Sandviken, Sandvikens jernverks aktiebolag, 1958, pp [7] L. Stemne, 4. Energi och strukturändringar, i Metalliska material - I. Metallografiska grunder, 2001, pp [8] T. Holm, P. Olsson och E. Troell, Glödgning, i Stål- och värmebehandling: En handbok, Mölndal, Swerea IVF, 2015, pp [9] Y. Lai Tian, R. Wayne Kraft, Mechanisms of Pearlite Spheroidization, Metallurgy transactions A, vol. 18, nr 8, pp , [10] K.-E. Thelning, 1. Metallografiska grundbegrepp, i Stål och värmebehandling, Boxholm, Karlebo, 1985, pp [11] J. Verhoeven och E. Gibson, The divorced eutectiod transformation in steel, Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 29, nr 4, p , [12] J. Verhoeven, The Role of the Divorced Eutectoid Transformation in the Spheroidization of Steel, Metallurgical and materials transactions A, vol. 31, nr 10, p , [13] Jernkontoret, 1. Några bakgrundsfakta, i Jernkontorets utbildningspaket del 11, Jernkontoret, 1996, pp [14] Z.-X. Li, C.-S. Li, J. Zhang, B.-Z. Li och X.-D. Pang, Microstructure of Hot Rolled 1.0C-1.5Cr Bearing Steel and Subsequent Spheroidization Annealing, Metallurgical and materials transactions A, vol. 47, nr 7, pp , [15] J. L. Dossett och H. E. Boyer, Modes of heat transmission, i Practical heat treating: Second edition, Materials Park, Ohio, ASM International, 2006, pp [16] T. Holm, P. Olsson och E. Troell, Värmeöverföring och temperaturmätning, i Stål och värmebehandling: En handbok, Mölndal, Swerea IVF, 2015, pp [17] Jernkontoret, Energihandboken, [Online]. Available: [Använd ]. 41

49 [18] W. Trinks, M. H. Mawhinney, R. A. Shannon, R. J. Reed och J. R. Garvey, 2.3 Heat transfer to the charged load surface, i Industrial furnaces, Hoboken, New Jersey, John Wiley & Sons, Inc, 2004, pp [19] W. Trinks, M. H. Mawhinney, R. A. Shannon, R. J. Reed och J. R. Garvey, 1. Industrial heating process, i Industrial furnaces, 6 red., Hoboken, New Jersey, John Wiley & Sons, Inc, 2004, pp [20] T. Holm, P. Olsson och E. Troell, Värmekällor, i Stål och värmebehandling: En handbok, Mölndal, Swerea IVF, 2015, pp [21] Instron, [Online]. Available: [Använd ]. 42

50 BILAGA 1 Materialtemperatur i Bilaga 60 43

51 BILAGA 2 Karbidstorlek CG 44

52 BILAGA 3 Perlitandel PA 45

53 BILAGA 4 Karbidnätverk CN 46