Richard Larker M Sc Ph D DSc (Docent, Tekn Dr) Forskningschef. Indexator Rototilt Systems AB Vindeln

Transkript

1 GJSF & GJSR: Förbättrad mekanik & produktionsekonomi med lösningshärdade ferritiska segjärn & lösningshärdade ausferritiska segjärn Richard Larker M Sc Ph D DSc (Docent, Tekn Dr) Forskningschef Indexator Rototilt Systems AB Vindeln

2 Vem är Richard Larker? (1 [2]) Född i Stockholm 1961 (numera 50+!) Gift med Katarina (44) Vi har två döttrar, Olivia (13) & Cornelia (17) Vi älskar stora berg-och-dal-banor! Här i SilverStar i Tyskland 2008, Europas största bana (73 m hög, 130 km/h!)

3 Vem är Richard Larker? (2 [2]) Civilingenjör M (1986), Teknologie Doktor (1992) & Docent (1998) i Konstruktionsmaterial vid Luleå tekniska universitet Forskningschef vid Indexator AB i Vindeln 1998 Vindeln Ordförande för VI-projektet , som utvecklade gjutgods i lösningshärdade ferritiska och ausferritiska segjärn för lastvagnar, hjullastare, bussar, grävmaskiner, kranar & skogsmaskiner Ordförande i svenska standardiseringskommittén SIS/TK 130 Gjutet järn och stål sedan aktiv nominerad expert i CEN/TC 190 & ISO/TC 25 Uppfinnare till två beviljade patent samt tre patentansökningar Innovationspristagare 2010 inom gjutgodsområdet från Silléns Innovationsfond Deltagare i HighT-projektet , som utvecklar gjutgods i ausferritiska segjärn för lastvagnar, grävmaskiner & skogsmaskiner

4 Vad är Indexator? Indexator är den världsledande tillverkaren av hydrauliska rotatorer ( /år) för skogsbruk, styckegods & återvinning, och av Rototilt (>2.000 /år) för grävmaskiners flexibilitet Sedan fissionen två familjeägda medelstora företag (Indexator Rotator Systems AB & Indexator Rototilt Systems AB); total omsättning >440 MSEK; >220 anställda

5 Konkurrens-fördelar från material-kunskap: 1. Optimering av tillverkningsprocesser kan minimera vår TVK 2. Starkare material kan ge lättare konstruktioner som ökar kundernas produktivitet och därmed ökar vår konkurrenskraft

6 Nuvarande huvudmaterial i våra produkter: Rotatorer: Segjärn >1.300 ton/år ( 1% av 1% av global produktion!); konvertering pågår från ferrit-perlitiskt till Si-lösningshärdat Rototilt: Röda rotorhus gjuts i lösningshärdat segjärn; svarta gränssnitt mot grävmaskinens arm och mot dess verktyg görs idag av svetsat stål (plåt + gjutet), vilket kan ersättas av ausferritiskt segjärn ADI

7 Reviderade EN-standarder för gjutgods: WG Document Title Convenor Secretariat 1 EN : EN : EN 1560:1997 Founding - Technical conditions of delivery - Part 1: General Founding - Technical conditions of delivery - Part 3: Additional requirements for iron castings Founding - Designation system for cast iron - Material symbols and material numbers 5 EN 1561:1997 Founding - Grey cast irons 5 pren GJV Founding Compacted graphite cast irons Germany /Tölke Germany /Vierbaum Germany /DIN Germany /DIN 6 EN 1562:1997/A1:2006 Founding - Malleable cast irons UK /Drywood UK/BSI 7 EN 1563:1997/A2:2005 Founding - Spheroidal graphite cast irons DI France /Godinot 7 EN 1564:1997/A1:2006 Founding - Austempered ductile cast irons ADI Netherlands /Kikkert 7 pren SiMo Founding Silicon molybdenum alloyed spheroidal graphite cast irons France /Regheere France /AFNOR Starkt 8 EN svenskt 13835:2002/A1:2006 engagemang i blåmarkerade Founding - standarder Austenitic från cast följande irons deltagare i SIS/TK 130 Gjutet järn och stål : UK /Fallon UK/BSI Richard 8 EN Larker 12513:2000 (ordf. i TK 130) Indexator; Founding Kenneth - Abrasion Åsvik Volvo resistant CE; Ulla cast Boman irons Volvo Powertrain; Ulf Backmark ITT (Flygt) 11 EN 1369:1996 Founding - Magnetic particle inspection 11 EN 1370: Founding - Surface roughness inspection by visual tactile comparators EN :1997 Founding - Liquid penetrant inspection - Part 1: Sand, gravity die and low pressure die castings France /Lietveaux France /AFNOR 11 EN 12454:1998 Founding - Visual examination of surface discontinuities - Steel sand castings

8 Nytt system för materialnummer i EN 1560:2011: Materialnummer baseras nu på strukturen i EN Werkstoff-nummer, men inledd med siffran 5., följd av grafit + matris + två löpnummer : Vid alternativ beteckning med Materialnamn ( symbols ) kan GJ samt S (vid segjärn) följas av F (helferritisk) eller R (ausferritisk), således GJSF respektive GJSR

9 Förbättringar (många från ISO 1083:2004) i EN 1563:2012:

10 Förbättringar i EN 1563:2012 (forts.) Ett paradigmskifte, det största som hänt segjärnet sedan 1949!

11 Förbättringar i EN 1563:2012 (forts.)

12 Första generationens ferrit-perlitiska segjärnsfamilj : Konventionella ferrit-perlitiska segjärn ( 1G DI ) uppvisar stora egenskapsvariationer orsakade av varierande perlithalt (p.g.a. variationer i kylhastighet & legeringshalter): GJS : 95% ferrit 5% perlit GJS-500-7: 50% ferrit 50% perlit GJS-700-2: 5% ferrit 95% perlit H = 155 ±25 HBW R p MPa R m 400 MPa A 5 18% H = 200 ±30 HBW R p MPa R m 500 MPa A 5 7% H = 265 ±40 HBW R p MPa R m 700 MPa A 5 2%

13 Förbättringar i EN 1563:2012 i nya Annex B: 1G DI 2G DI

14 Förbättringar i EN 1563:2012 i nya Annex A:

15 Förbättringar i EN 1563:2012 Annex A (forts.) Helferritisk matris är förvånande duktil: Trots dominerande kompaktgrafit uppvisar segjärn med 3.9% Si: R p0,2 =451 MPa, R m =565 MPa, A 5 =10%! Dessutom har ferritisk matris (trots hög Si-halt) alltid bättre värmeledning än perlitisk matris! Vem har andra behov??

16 Förbättringar i EN 1563:2012 Annex A (forts.) Vid MPa brottgränsnivåer ADI! fås samtidigt % högre sträckgränsnivå och 2x 5x högre brottförlängning!

17 Förbättringar i EN 1563:2012 Annex A (forts.)

18 Förbättringar i EN 1563:2012 i nya Annex F: Detta nya Annex F i EN 1563:2012 har författats av Richard Larker

19 Förbättringar i EN 1563:2012 Annex F (forts.) Lösningshärdad perlit är mycket spröd!!

20 Förbättringar i EN 1563:2012 Annex F (forts.) Brottsegheten är högre för lösningshärdad ferrit än för ferrit-perlit!

21 Förbättringar i EN 1563:2012 Annex F (forts.) Försprödande testmetod!!

22 Förbättringar i EN 1563:2012 Annex F (forts.)

23 utvecklar 2G DI för grövre dimensioner: Concast = 60 x 75 mm stränggjutning med imponerande egenskaper! (3,9% Si + 0,16% Mn)

24 utvecklar 2G DI för grövre dimensioner: Utdrag från föredrag av T. J. Castledine vid ImmCo i november 2009 (ett år efter min Millis 2008-presentation!)

25 Stress amplitude (MPa) Fördel vid utmattningsbelastning av gjutyta: Spheroidal graphite cast iron, fatigue life, as cast surface, results 4-point bending test, 10 test pieces for each grade Courtesy: Joop Kikkert, Componenta NL EN-GJS-500-7, 0,45% Cueq EN-GJS-600-3, EN-GJS-500-7, 0,70% Cueq EN-GJS , EN-GJS , 3,75% 3.75% Si Si 2,0E+05 4,0E+05 6,0E+05 8,0E+05 1,0E+06 1,2E+06 1,4E+06 Number of cycles (mimimum, maximum) (n) Perlitinnehållande segjärnsgods har en avkolad ferritisk ytzon med lägre hållfasthet i ytan (p.g.a. den lägre kiselhalten i den ternära Fe-C-Si-legeringen); Si-lösningshärdat helferritiskt segjärn behåller hela hållfastheten ända ut i ytan, vilket är särskilt värdefullt då gjutgodsytor utsätts för utmattningsbelastning

26 Brinel Härte HBW När blir då perlit önskvärd i segjärn? EN-GJS EN-GJS prgjs prgjs Courtesy: Joop Kikkert, Componenta NL ,2 % Dehngrenze (MPa) Perlitisk matris blir bara önskvärd när nötningsbeständighet ( as-cast eller härdad) är viktigare än alla andra egenskaper: sträckgräns, duktilitet, brottseghet, bearbetbarhet, måttnoggrannhet, kassationsnivå, e t c!

27 Paradigmskifte i både Seghet & Styrka: GJS , & vs. GJS 500-7, & (data från EN 1563:2012 ; Table E.1 ( K IC ) på Y-axlar, Table 3 vs. Table 1 på X-axlar) GJS , & vs. GJS 500-7, & (data från EN 1563:2012 ; Table E.1 ( K IC ) på Y-axlar, Table 3 vs. Table 1 på X-axlar) 2G ADI 2G ADI Mekaniska egenskaper blir klart bättre baserade på lösningshärdning av ferrit än förekomst av Fe 3 C eller andra karbider

28 30% längre verktygslivslängder (prel. Indexator-resultat); 22% lägre total bearbetningskostnad (prel. Volvo CE-resultat)

29 Indexators första segjärnskomponent i 2G DI : Svivelhus (138 kg), gjutet sedan 2005 i ISO 1083/JS/ (3.8% Si), erbjuder konsekventa egenskaper i vår största rotator, integrerad i återvinningsgrip med fem gripklor för 20 tons last

30 Varför ersätta GJS med GJS ? Fem (5) tätningsspår i hydraul-sviveln ställer mycket höga krav på snäv bearbetningstolerans (20 µm) GJS gav: o Toleranser ofta utanför specifikation, eftersom hårdhetsvariationer på HBWenheter förbrukar hela toleransvidden! o Hög kassationsnivå GJS ger: Konsekventa egenskaper (HBW e t c) Toleranser inom specifikation Totalkostnad <80% (summering av bearbetningstid + skärslitage + kassation)

31 Finsvarvning av Ø i inom 20 µm tolerans i Statorring:

32 Förbättrad skärbarhet och robusta egenskaper hos 2G DI ger avsevärda besparingar: Vid bearbetning av Statorringar/år har konvertering från ferrit-perlitiskt EN-GJS till Si-lösningshärdat helferritiskt EN-GJS reducerat den totala bearbetningskostnaden med kr/år! ( /år), varav 80% från ökade skärdata (finsvarvningstiden halverad till 4 min 15 s) och 20% från eliminerad HBW-relaterad kassation (14 <1 ring/månad)! Dessutom möjliggörs obemannad bearbetning under raster samt reducerad/eliminerad HBW-kontroll! Indexator sparar Σ SEK/år genom att använda 2G DI!

33 It is not necessary to change Survival is not mandatory W. Edwards Deming father of Continual Improvement

34 Vad är ausferritiskt segjärn ADI? ADI ger typiskt fördubblad Gjutet ferrit-perlitiskt segjärn hållfasthet med oförändrad duktilitet! Austemperat ausferritiskt segjärn Ausferrit, inte bainit!!!

35 Förbättringar (många från ISO 17804:2005) i EN 1564:2011 I EN 1564:2011 Annex C (liksom i EN 1563:2012 Annex B) anges vägledande värden för mekaniska egenskaper i gjuten komponent med tre (3) intervall av relevant väggtjocklek:

36 3 steg: austenize + quench + austemper T (ºC) wt% C Snabbkylning med K/min för att undvika perlitnosen Stoppa kylningen ovanför M s M s M f Martensit Perlit Ausferrit wt% C i austeniten Snabbkylning & austemperering sker vanligen i ett saltbad vid C Bainit Kiselhalten i de flesta gjutjärn fördröjer eller förhindrar helt nedbrytningen av ausferritens austenit till spröd bainit Log t (min)

37 ADI har en förvånansvärt lång historia: ADI beskrevs redan i det första segjärnspatentet av Millis et al 1949! Treatment #1: Austempering by quenching from 843 C into salt bath at 427 C for 5 h: Alloy #18: 2.6% C, 2.3% Si, 0.9% Mn, 1.9% Ni, 0.07% Mg R p0.2 = 710 MPa; R m = 820 MPa; A 4 = 0.5%; H = 344 HV Alloy #21: 3.1% C, 2.1% Si, 0.8% Mn, 1.9% Ni, 0.08% Mg R p0.2 = 730 MPa; R m = 880 MPa; A 4 = 1.5%; H = 328 HV Därmed skördade Mn ännu ett offer; ADI-utvecklingen fördröjdes i flera decennier!

38 Legeringens inverkan på processfönstret : 0,25 % Mn 0,37 % Mn 3,6% C; 2,6% Si; 0,3% Cu; 0,25% Mo; Austenitiserad vid 920 C Vanliga manganhalter i segjärn stänger processfönstret för de högre austemperings-temperaturer 360 C som behövs för att producera ADI med både hög styrka och högsta duktilitet! 0,67 % Mn Alla legeringstillsatser (& C%) utom Si fördröjer fullbordan av Steg 1 (ausferrit); kisel fördröjer starten av Steg 2 (bainit) Mer kisel vidgar processfönstret! Courtesy: R. Elliott, The Role of Research in Promoting A D I, Heat treatment of Metals , pp

39 SiSSADI-konceptet, baserat på 2G DI : Under , parallellt med stort engagemang i projekten VI & HighT (utvecklande DI- & ADI-artiklar för Volvo, Indexator, Scania, Atlas Copco, m fl) samt parallellt med revideringarna av EN 1563 (DI) & EN 1564 (ADI), så har Indexator investerat 9 man-år i FoU för att utveckla austemperering av Si-lösningshärdat segjärn SiSSADI: 1. Lösningshärdning från kisel av acikulär ferrit i den ausferritiska matrisen (duplex austenit + ferrit) ger förbättrad kombination av styrka och duktilitet 2. Reducering/eliminering av försprödande bainitiska karbider, även i starkare sorter bildade vid lägre austemperings-t <350 C, vilket bevarar duktiliteten & segheten 3. Starkt bidrag till austempererbarheten från Si (starkare än Ni eller Cu per wt%!), vilket reducerar både legeringskostnad och segringar (vilket förkortar processtiden), och möjliggör homogen ausferrit upp till minst Ø 120 mm / 80 mm väggtjocklek 4. Bearbetning underlättas i både as-cast och austempererat tillstånd

40 Slutlig design av Redskapsfäste i SiSSADI:

41 Atlas Copco har ADI i sina Hammarkroppar: Atlas Copco Construction Tools i Kalmar är den första (och hittills enda) OEM i Sverige som installerat egen austemperings-kapacitet (med konvent. saltbad) De utvärderar just nu en övergång från konventionell ADI till SiSSADI i sina Hammarkroppar, och kan därmed bli vår första licenstagare av SiSSADI-konceptet De överväger också konvertering av ståldetaljer till SiSSADI

42 Gasflöde under värmning & kylning vid 200 MPa (2000 bar!) argon-gastryck i HIP:

43 T & p vs. t för konceptet AusFerHIP: Vid 200 MPa gastryck blir austempererbarheten fördubblad! Snabbare värmning & austenitisering + eliminering av porositet & σ rest. Uniform snabbkylning med >11 C/s i mitten av Ø22 mm ner till 400 C Kostnadseffektiv process för att framställa ausferritiska segjärn (& stål) med överlägsen mekanik; patentsökt av Indexator 2007

44 SiSSADI -mikrostruktur (nodul-ø 35 µm): Mekaniska egenskaper efter AusFerHIP vid relativt låg T: (medelvärden± std. dev. från 3 dragprov, bearbetade från 75 mm Y-block gjutna hos Componenta Weert med 3.9% Si + NiCuMo för austemperbarhet upp till Ø120 mm) R p0.2 = 1114 ±7 MPa; R m = 1447 ±9 MPa; A 5 = 11.6 ±1.8 % SiSSADI austempererad via saltbad är också överlägsen konventionell ADI; samma T austemp som i HIP ger liknande R p0.2 -nivåer, medan nivåerna för R m och i synnerhet A 5 reduceras, samt att all spridning ökar p g a gjutporositet Tack för Er uppmärksamhet! Frågor? Den sedan 2006 patentsökta innovationen SiSSADI-konceptet blev i maj 2010 belönad med Silléns Innovationspris (utsedd av en jury från Scania, Volvo och 5 svenska gjuterier), och är nu öppet för licensingsavtal utanför Indexators bransch