SmeBox stål och applikationer. Anneli Anhelm

Transkript

1 SmeBox stål och applikationer Anneli Anhelm

2 Att köpa en stålbit Kemisk sammansättning Mekaniska egenskaper Slagseghet Hårdhet Härdbarhet Svetsbarhet Lämplighet för galvanisering Dimension Längd Rakhet Ett gäng toleranser Ändutförande Vikt Märkning Lastning Etc.

3 Kemisk sammansättning Antalet kemiska ämnen som kunder / normer specificerar varierar mellan 3 och 10 Ämnena samverkar mer eller mindre Förhoppningsvis återspeglar analysen egenskaperna kunden vill ha har kunden "full koll" eller skapar tidigare leveranser "det perfekta materialet"?

4 Mekaniska egenskaper När vi pratar egenskaper menar vi oftast mekaniska egenskaper dvs dragprov och slagprov

5 Slagprov Kravet anges i J (Joule) vid en viss temperatur Anger materialets förmåga att absorbera energi Flera definitioner av omslag från sprött till segt brott 50% av brottytan är seg (svårbedömt!) 27 J Seg brottyta Spröd brottyta

6 Hårdhet 1(2) Stålkula Brinell (HB) Rockwell B (HRB) Spetsig diamant Vickers (HV) - kvadratisk Rockwell C (HRC)- kon Brinell Vickers

7 Hårdhet 2(2) För mjuka material, alltså i varmvalsat tillstånd, används HB eller möjligen HRB Stora intryck = jämna värden För härdade material används HRC eller HV med hög belastning Mindre intryck, men ger ändå en samlad bild av hårdheten För hårdhetsprofiler används HV med låg belastning (1kg eller lägre) Mycket små intryck, men man ser variationer

8 Svetsbarhet Kolekvivalenten CEV ger en fingervisning om svetsbarheten d.v.s. om materialet kan svetsas utan särskilda förberedelser CEV = C + Mn/6 + (Ni+Cu)/15 + (Cr+Mo+V)/5 Främst för mikrolegerade stål (ur EN ) S235 upp till 40 mm tjocklek CEV max 0.35 över 40 mm CEV max 0.38 S275 upp till 40 mm tjocklek CEV max 0.40 över 40 mm CEV max 0.42 S355 upp till 30 mm tjocklek CEV max 0.45 över 30 mm CEV max 0.47

9 Förvärmning vid svetsning

10 Svetsning Felaktigt val av material och svetsparametrar För hög kolekvivalent för att svetsa utan förvärmning Kunden ville ha hög Rel och bra svetsbarhet dvs ville ha hög legeringshalt, men ändå inte

11 Varmförzinkning 1(3) Klass Si Si+2,5*P P 1 0,03% 0,090 2 speciella zinklegeringar 0,35% 3 0,14 0,25% 0,035% Kallas också galvanisering (efter Luigi Galvani, italiensk vetenskapsman) när skiktet läggs på elektrokemiskt EN har tre klasser för att definiera hur stålet ska vara Vi klarar klass 3 och har ett antal stålsorter anpassade för det

12 Varmförzinkning 2(3) Lägre Si (< 0.14%) kan resultera varierande tjocklek och dålig vidhäftning (Sandelin-effekten) p.g.a. hög reaktivitet Högre Si (upp till 0.40%) ger tjocka skikt vilket ger bra korrosionsskydd, men de blir inte så snygga (vägräcken)

13 Varmförzinkning 3(3) Bra skikt Fyra olika lager Sandelineffekt Vill man inte ha! Viktigt att kiselhalten blir rätt!

14 Legeringsämnen Varför då och vad gör de egentligen för nytta?

15 Är järn och stål samma sak? Järn är ett grundämne, Fe Stål är en blandning, en legering, med järn som bas Våra stål har max 5% legeringsämnen, oftast lägre

16 Vad blandar vi i stålet? ALLTID KOL (C)! Utan kol inget stål Salt Ett par nödvändiga ämnen t.ex. kisel och mangan Legeringsämnen i olika mängder (Cr, V, Mo, B) Lök och vitlök Kryddor Grönsaker Frikadeller Örter Annat gott men vi kommer inte ifrån...föroreningar typ fosfor, koppar och tenn m.fl..klor i vattnet, jord på grönsakerna, etc.

17 Dragprov (MPa) Kol 1(2) Dragprov på kolstål medelvärden för alla dimensioner 200 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 kolhalt (%) Rel Rm Utan kol inget stål! Är överlägset det ämne som påverkar egenskaperna mest både i varmvalsat och värmebehandlat tillstånd Vi jobbar i intervallet 0,03 0,85 %, medel 0,30 % C

18 Förlängning (%) Kol 2(2) Mer kol ger högre brottgräns Ju högre hårdhet / brottgräns desto sämre seghet Dragprov medelvärden för alla dimensioner 0 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 kolhalt (%)

19 Kisel Tätar stålet dvs tar bort syret = inga bubblor kvar (killed) Neutral vad gäller svetsning Används för att få upp de mekaniska egenskaperna utan att försämra svetsbarheten Kontrollerad halt krävs för varmförzinkning

20 Mangan 1(2) Efter kol det viktigaste och vanligaste legeringsämnet Specificeras alltid! Viktig för skärbarhet (MnS) Brist på Mn i svavelhaltigt material ger rödskörhet = materialet spricker när det är varmt (egentligen är det järnsulfid som smälter) Legeringsnivå hos oss 0,5 1,70 %

21 Dragprov (MPa) Mangan 2(2) Jämförelse kolstål med manganstål kolhalt 0,48 % Rm Mn =1,30% Rm Mn = 0,75 % Re Mn = 1,30 % Re Mn=0,75% Tjocklek (mm)

22 Krom Krom är det "klassiska" legeringsämnet för att öka hårdhet och härdbarhet ordentligt Krom och mangan kan ibland "kompensera" för varandra Vi har en resthalt på ca 0,14 % Cr, legerar 0,25-1,20 % (en stålsort har 4 %)

23 Nickel Används för förbättrad seghet Skapliga kvantiteter kan och måste tillsättas = kostar pluring Vi har en resthalt på ca 0,14 % Ni legerar 0,50-1,60 % Ni men få stålsorter är Ni-legerade hos oss.

24 Molybden Det tunga artilleriet Liten tillsats stor effekt Används för att toppa egenskaperna då man tillsatt Mn och Cr, men behöver ännu mera kraft i materialet Segrar kraftigt! Legeras hos oss vanligen 0,15 0,25 %, enstaka fall upp till 0,60 %

25 segringar Rent järn stelnar först De tyngre ämnena (legeringar och residualer) blir kvar atomerna rör sig långsamt De sist stelnade områdena har högre koncentrationer av de långsamma ämnena

26 segringar

27 mikrosegringar

28 Dragprov (MPa) Vanadin 1(2) Ekonomiskt och modernt, små tillsatser = mikrolegerat 750 C35 utan och med 0,05 % vanadin Rel med V Rm med V Rel Rm Diameter (mm)

29 Dragprov (MPa) Vanadin 2(2) Påverkar brottgränsen, men mest använd för att "peta upp" sträckgränsen Legeringsnivå 0,05-0,20 %, 0,80 C35 utan och med 0,05 % vanadin 0,75 0,70 Re/Rm med V Re/Rm 0,65 0,60 0,55 0, Diameter (mm)

30 J Niob Starkare partikelbildare än vanadin, men måste valsas vid låg temperatur för att få effekt Effekt? Små korn! Steel grade 9660 (SB27M12CB) 35,5Ø - Charpy KV-40, KV C, 450 C 900 C, 465 C 900 C, 470 C 900 C, 475 C 950 C, 450 C 950 C, 475 C 0 KV-40 KV-60

31 Bor 20 ppm B motsvarar 0,4 % Cr eller 0,3% Mo Väldigt flexibla och tåliga vad gäller värmebehandling Mjuka efter valsningen, men kan bli rejält hårda efter härdning så länge som boreffekten finns Vi gillar bor!

32 Var var vi? Klara med det viktigaste! men vi kommer inte ifrån...föroreningar typ fosfor, koppar och tenn m.fl..klor i vattnet, jord på grönsakerna, etc.

33 Fosfor Pest och pina Orsakar SPRÖDHET och sprickor framför allt vid härdning Ökar varmvalsad hårdhet rejält Resthalt 0,013 %, krav ofta max 0,030 % Kommer med skrotet i form av gjutjärn och jord(!) men gjutjärnet behövs som kolbärare vid EAF Aldrig bra..om man inte pratar väderbeständiga stål

34 Koppar Kan orsaka rödskörhet vid halter > 0,40 % enligt EN dvs kopparföreningar smälter i korngränserna Tillsammans med fosfor, tenn och antimon så ger koppar också ett sprött material Ger högre hårdhet Kommer att öka allteftersom återvinningen ökar Resthalt idag ca 0,21 % Cu

35 Aluminium Kornstorlek Kornstorlek Kornstorlek och alltså bra slagseghet tror våra kunder! Tänk om det vore så enkelt!

36 Kornstorlek ASTM Storlek i mm eller μm Anges ofta med ASTM (American Standard of Testing and Materials) Ett högt ASTM tal betyder små korn, vanligt krav är minst 6

37 Vad påverkar slagsegheten? Allt som gör stålet hårdare gör det sprödare Undantagen är små korn nickel i mängd över 1 % Små korn kan man få genom att ha partiklar som håller i korngränserna vid hög temperatur (Al, Ti, V eller Nb) slutvalsa vid låg temperatur (SP) Vanligt krav: aluminium min 0,020 % för aluminiumnitrider

38 Aluminium tvåfalt bekymmer Djupa ämnessprickor på stål utan nitridbildare och medelhöga kolhalter, typiskt kolstål över 0,40 % C I kombination med svavel som ger gjutbarhetsbekymmer AlN-sprickor på C45 som uppstår på svalbädden. Botemedel är tillsats av titan 0,015 0,030 %, men titan inte alltid tillåtet

39 Aluminium, svavel och syre.och kalcium Kladd Rinner som vatten Kladd Knepigt att få det rätt!

40 Normal lugn gjutning Gjuthastighet Gjutlådevikt Stoppar positioner Kokillnivåer

41 Gjutning med variationer Gjuthastighet Gjutlådevikt Stoppar positioner Kokillnivåer

42 Aluminium Våra kunder som vill ha finare korn genom att önska aluminium får fler slagger förutom fina korn! Aluminium påverkar inte härdbarheten särskilt mycket Vi har fina korn utan aluminium på många stålsorter eftersom vi valsar vid rätt låg temperatur!

43 Svavel Påverkar inte hårdhet eller dragprovresultaten Förorening? Hmmpf, specas ganska ofta Bildar slagger och då blir det genast tal om skärbarhet

44 Skärbarhet Samlingsbegrepp för spånavverkning och materialets lämplighet att låta sig avverkas Samspel mellan arbetsmaterial maskin verktyg

45 Hårdhet Skärhastighet (temperatur) Plastisk deformation Metallurgernas område Lösegg S235, Al Kullager Hårdhet

46 Vad kan metallurgerna göra? Tillsätta svavel för att bilda A-slagger Kalciumbehandling för D-slagger (M /SBM-behandling) Blylegera = automatstål, friskärande stål Tillsätta Vismut, Tellur, Selen etc. sk mischmetaller

47 Slagger? Mikroslagger dvs små slagger som bildas i stålet vid stelning A plastiska sulfider (MnS) blir långa och utdragna B - spröda oxider (Al 2 O 3 ) hårda och sliter mycket (slippapper) C silikater med hård kärna, mjukt hölje D- odeformerbara komplexa oxider med Ca, Al, O, Si och S

48 Mikroslagger Ett antal metoder finns: SS111116, DIN 50602, ASTM E45, ISO 4967 SS111116

49 Vad ska A-slagger vara bra för? A-slaggerna (MnS) är bra för spånbrytningen långa korkskruvar trasslar ihop sig och stockar till, MnS bryter dem Bra vid långsamma förlopp Borrning är ett exempel Första steget man tar om skärbarheten är knepig alla kan tillsätta svavel Normal S-halt 0,020 0,035% Vill man inte ha!

50 Irriterande!!!!

51 Vad ska D-slaggerna vara bra för? Slaggerna bildar en skyddande, smörjande film på verktyget Verktyget tål högre temperatur Man kan köra fortare, mer, tuffare TIDSBESPARING De andra mikroslaggtyperna försvinner eller minskas avsevärt eftersom de ingår i D- slaggerna Inga slitande slagger finns i stålet

52 Vad händer vid M-behandlingen? Vid M-behandling vill vi ha MASSOR av D-slagger så vi behöver Aluminium Syre CaSi S När och i vilken ordning man tillsätter ämnena spelar stor roll Skillnaden mellan en omelett och en sufflé är inte så mycket ingredienserna utan tillagningssättet

53 Värmebehandling.och lite metallografi

54 H 2 O och Fe H 2 O Finns i gasform (ånga), flytande form (vatten) och fast form (snö) Fe Finns i gasform, flytande form och två fasta former (ferrit och austenit) Den fasta formen är uppbyggd av kristaller Den fasta formen är uppbyggd av kristaller

55 Järnets kristallformer BCC = body centered cubic eller kubiskt rymdcentrerat Kallas ferrit eller α-järn Den stabila formen vid temperaturer under 911 C för rent järn, stabil upp till 727 C för kolstål Byggstenen är 2,87 Å BCC Utrymmet mellan atomerna är litet, ingen löslighet av kol.

56 Järnets kristallformer FCC = face centered cubic eller kubiskt ytcentrerat Kallas för austenit eller γ-järn Stabil över 911 C för rent järn Börjar bildas vid 727 C för kolstål Byggstenen är 3,57 Å FCC Mellanrummen är rymliga och kolatomer får plats i gittret

57 Värmebehandling Man utnyttjar det faktum att järn finns i två fasta faser för att få fram andra egenskaper. Fasomvandlingen är det intressanta och riktigt användbara Temperaturområdet mellan 600 och 1000 täcker för kolstål i princip alla sammansättningar Man kan göra stålet mjukare hårdare segare men inte allt samtidigt!

58 Strukturer i kolstål under 700 C 1(3) Utan kol inget stål = kol finns alltid med Ferrit är den stabila formen, men ingen plats för kolatomer Vart tar kolatomerna vägen???????? De bildar skivor av järnkarbid, Fe 3 C, cementit, som varvas med ferriten (typ wienerbröd) och strukturen kallas perlit eller bainit

59 Strukturer i kolstål under 700 C 2(3) Ferrit och cementit finns i olika fördelningar beroende på kolhalt Som ferrit + perlit i stål med kol under 0,8 % Som cementit + perlit i stål med kol över 0,8% (överkurs) Brytpunkten vid 0,8 % C kallas för det eutektoida kolhalten och där är strukturen rent perlitisk Ferriten är mjuk, perlit är hårdare (skärbarhet och spånbrytning!) Bainit är riktigt hårt Ju snabbare materialet svalnar desto finare struktur blir det och fin struktur ger högre hårdhet

60 Strukturer i kolstål under 700 C 3(3) S235 med <0,05% C S355J2 med 0,2% C Strukturen består av ferrit (vit) och perlit (mörk) C45 med 0,45% C

61 Mjukglödgning 1(2) Principen är att hålla så hög temperatur att cementitplattorna drar ihop sig och blir till kulor (ytenergin minskar) Kallas ofta för sfärodisering Aluminiumlegering

62 Mjukglödgning 2(2) Tiden vid temperatur är åtskilliga timmar Resultatet blir att hårdheten sjunker Stål som mjukglödgas

63 Normalisering 1(2) Man värmer upp stålet till austenit och låter det svalna långsamt Nya korn bildas vid uppgången och nedgången dvs det blir många fler korn = kornen blir små Små korn är bra för slagsegheten! samma stål före och efter normalisering samma förstoring!

64 Normalisering 2(2) Man påverkar de mekaniska egenskaperna inklusive sträck- och brottgräns Klena dimensioner svalnar fortare efter valsning = de mekaniska egenskaperna påverkas mycket av normalisering Grova dimensioner förändras mindre Man kan säga att normalisering tar bort svalningshastighetens inverkan på dimensionerna

65 Normaliservalsat material EN säger Alltså att om värdena är innanför gränserna både i varmvalsat tillstånd och efter normalisering så är det normaliservalsat Man behöver alltså inte nödvändigtvis genomföra värmebehandlingen "normalisering" för +N Klarar vi detta? Jajemen för allt upp till S355

66 Härdning 1(2) Principen är att värma så högt att alla legeringsämnen löses upp i austeniten och sedan kyla snabbt för att få dem att frysa inne Den kylda strukturen kallas martensit och är en deformerad BCC

67 Härdning 2(2) Man kan kyla med vatten, polymer eller olja, men luft är ovanligt! Låg kolhalt Hög kolhalt

68 Anlöpning Man värmer upp materialet och låta en del av kolet ta sig ut ur martensiten och bilda karbider = materialet blir segare (seghärdning) Hårdheten sjunker, men hur mycket beror på temperatur och tid

69 EN En fin standard!

70 Gammal och ny standard EN A1 Från 1990 med tillägg 1993 Täcker olegerat konstruktionsstål och maskinstål EN , EN , -3,-4,, Från 2004 Täcker varmvalsade konstruktionsstål i sex delar EN anger allmänna tekniska leveransvillkor Olegerat finns i EN Gemensamt är sättet att ange hållfasthetsklass och slagseghet Skillnaderna är att den gamla specificerade desoxidationsmetoden i namnet (G3/G4), i den nya finns en tabell, men inget otätat material tillåts längre halterna av max P och S har sänkts i den nya, N höjts

71 EN Beskriver hur stålsortsnamn kan anges värd att studera!

72 Ovako och EN Viktig standard! Vi har 3 varianter av S235 (JR, J0 och J2, C, varmförzinkining) 1 stackare S275 6 varianter av S355 (JR, J0, J2, J4, K2, C, +N, +AR, SBM och svavellegerade..) 1 enda på S450J0 E295, E295GC och E360GC är inga kioskvältare men finns Vi gör kundanpassade normer så fort man frångår standarden, men årsvolymen för en helt egen stålsort är minst 300 ton

73 kolstål Fördelar för kunden Nackdelar Enkla, billiga, lätta att tillverka Många leverantörer Standarderna har stort kolintervall = olika beteende mellan charger och leverantörer Standardiserade stålsorter Induktionshärdning enkel och möjlig om bara en del behöver bli hårt Varmvalsad seghet är dålig (framför allt C45 och uppåt)

74 Varför kolstål från SmeBox? Många rejält insnävade och kundspecifika varianter = lika från gång till gång 5 st C35 9 st C45 Flera nivåer på skärbarhetsbehandlingar light variant till lastbilstillverkare gav mycket bättre struktur = bättre seghet på färdig produkt Klassisk behandling ger stor effekt på skärbarheten Snäva toleranser Fina ytor

75 kolstål C 0,16 % C 0,35 % C 0,45 % C 0,45 % C 0,60 % C 0,85 %

76 låglegerade stål Fördelar för kunden Nackdelar Kan styra egenskaperna bra ex.vis hög hårdhet+ hög seghet Mycket tradition i materialval utnyttjar man legeringarna eller betalar man bara för dem? Olika möjligheter att värmebehandla utan att skapa äggskal Kräver alltid värmebehandling,ofta i olja p.g.a. legeringsinnehållet Snäva härdbarhetskrav ger förutsägbara formförändringar som kan hanteras effektivt, men få leverantörer klarar dessa Relativt dyrt material och dyr värme- behandling Alla använder samma stål! Hög hårdhet betyder ökad känslighet för anvisningar såsom ytfel, repor och avkolning

77 Varför låglegerade stål från SmeBox? Specialprofiler är extra intressanta då materialpriset är högt Snäv kemisk analys = förutsägbart värmebehandlingsrespons 9 st 51CrV4 Kostnadseffektiv rutt Väldigt fina ytor

78 låglegerade stål seghet hårdhet

79 Fjäderstål (Cr och Si)

80 Varför inte låglegerat från SmeBox? Ingen vakuumavgasning Vissa slaggkrav omöjliga att uppfylla utan vakuum (väte fixas genom glödgning, men påverkar inte syre exempelvis) Reduktionsgraden på grova dimensioner Ju mer legerat, desto känsligare för en dålig nedvalsningsgrad Blir bättre med 200 x 200 mm ämne Om inga kundkrav finns pass på vid Ø 70 mm och uppåt Litet ämnesformat ger tydlig segring / bandning då legeringshalterna ökar Ger ojämna egenskaper Misstas för sprickor vid magnetpulverprovning (Mo-legerat) Bättre med ny omrörning (EMS) men finns alltid till viss grad

81 reduktionsgrad För att vara någorlunda säker på att porerna valsas ihop finns interna regler De är baserade på erfarenhet, inte någon teori Kunder har ibland krav (6:1 eller 8:1) på stål där vi inte har det General demands (customer approval needed for exceptions) steel type example min mild S235JR, S275J0, grade A 3.5:1 general construction 2132, S355JR 4.0:1 carbon steel for hardening C35, C45, C60 micro alloyed S355J2, 280X, SB400-SB :1 low alloyed C < 0.2%, boron 16MnCr5, SB27M12CB, SB24M13B 5.0:1 spring steel, low alloyed 51CrV4, 52CrMoV4, 56SiCr7, 42CrMo4 7.0:1 Special rules (unless other demands are specified by the customer) application valid min fork material for everything 4.0:1 forging cold drawing if important deformation of stressed areas is done, otherwise general rules mild, micro, boron low alloyed 3.0:1 4.8:1 6.2:1 Ibland fungerar det ändå inte! reduktionsgrad 5,7 : 1 i stålsort 16MnCr5

82 mikrolegerade stål Fördelar för kunden Kräver ingen värmebehandling utan används oftast varmvalsade Många har god slagseghet Kan ersätta gamla låglegerade stål (som måste värmebehandlas) = billigare process Nackdelar Alla stål är inte svetsbara mycket hög sträckgräns och god svetsbarhet fungerar inte! En djungel av stålsorter, få finns i standarderna Kan sätthärdas Många stål är svetsbara Många olika ståltyper finns skräddarsydda för olika applikationer

83 Varför mikrolegerade stål från SmeBox? Stort program! Sträckgränser mellan 355 och 690 MPa varmvalsat Snäva gränser på analysen ger lika egenskaper från gång till gång Normaliservalsar upp till S420 dvs vi kan erkänna +N utan värmebehandling Flera skärbarhetsförbättrade stål inkl. två från Imatra med mycket höga svavelhalter

84 mikrolegerade stål

85 borstål Fördelar för kunden Billigare än låglegerat, men kan ändå få samma egenskaper stålet är billigare värmebehandlingen billigare Nackdelar Måste alltid härdas för att få ut egenskaperna Varmvalsad seghet är mycket dålig Stor flexibilitet vad gäller egenskaper, värmebehandlingen styr mot antingen hög hårdhet (WR) eller bra seghet TiN-partiklar gör att skärbarheten inte är superbra! Få stålsorter är standardiserade

86 Varför borstål från SmeBox? Stort program!! Snäva gränser på analysen ger lika egenskaper från gång till gång Utvecklingen av Niob-legerade stål WR-stål

87 borstål

88 WR-stål

89 Glidande nötning

90 Varför gör vi inte alla typer av stål? Förhållandevis litet ämnesformat gör att nedvalsningsgraden inte blir tillräcklig för högre legerade stålsorter Klena dimensioner blir bättre och är en möjlighet Nya strängen med nytt format! Förhållandevis litet ämnesformat gör att vi är känsliga är igensättningar under gjutningen så alltför höga svavel- och aluminiumhalter gillar vi inte Minsta årsvolym är 300 ton (3 charger) eller en charge under ett kvartal

91 Stål Vi är duktiga på stålsorter med balanserade legeringsnivåer där innehållet utnyttjas fullt ut, ingen "överlegering" Mikrolegerat där egenskaperna är viktiga Borstål där vi har en full palett att erbjuda Vi gör tillräckligt rent stål utan vakuum för högt påkända fjädrar Vi tillverkar skärbarhetsbehandlat stål Vem tror att alla tänkbara kombinationer av legeringsämnen har provats?