1
Smidesseminarium i Karlskoga 16 nov 2016 Krister Axelsson Uddeholms AB 2
AGENDA INLEDNING VERKTYGSMTRL, EGENSKAPER ETC. SKADEMEKANISMER UDDEHOLMSTÅL CASE STUDIES
UDDEHOLMS AB ~850 anställda i Hagfors Järnverk Stålverk (skrotbaserat) 11 ESR-ugnar 2 pressar för friforms smide Göt- och stångvalsverk Värmebehandling Maskinbearbetning F&U 300 års erfarenhet 4
MATERIAL OCH EGENSKAPER
Typiska varmarbetsstål inom smide I dag använder många företag traditionella verktygsstålstyper som dessa. H13 1.2344 2242 H11 1.2343 C Mn P S Si Cr Ni Mo V 0.40 0.35 Max 0,015 0.36 0.30 Max 0.015 Max 0,003 Max 0.003 1.00 5.20-1.50 0.90 1.00 5.0-1.30 0.50 1.2714 0.55 0.70 Max 0,015 Max 0,003 0.3 1.10 1.70 0.50 0.10 Dessa är dock gamla och omoderna för dagens smide av avancerade delar till bil- och rymdindustrin 6
KRAVEN FÖRÄNDRAS Moderna material är svårare att smida och kombinerat med höga smidestemperaturer leder detta till att verktygen slits snabbare 7
VIKTIGA MATERIALEGENSKAPER VID VARMARBETE Anlöpningsbeständighet Varmhållfasthet Kryphållfasthet Termisk utvidgningskoefficient Värmeledningsförmåga Duktilitet/Seghet 8
INTRESSANTA MATERIALEGENSKAPER Bra utmattningsmotstånd i alla riktningar. Sprickor. Tillräcklig härdbarhet. Viktigt vid omsänkning av kaviteter. Lätt att bearbeta. Speciellt för seghärdade block. Möjligt att svetslaga. 9
TVÅ HUVUDTYPER AV SMIDE Hejarsmide Pressmide Kontakttid < 1 sek (typisk) 1-30 sek (kan vara mer) Gravyrytans temp <450 C 580 780 C Hejarsmide Krav på varmsträckgräns Krav på anlöpningsbeständighet Krav på seghet Pressmide 10
TRADITIONELLA MATERIAL FÖR HEJARSMIDE Hejarsmide innebär kraftiga slag därför ställs framförallt krav på: Bra duktilitet/seghet (Låg hårdhet) Hejarsmide hållare eller fasta matriser 1.2714 Insatser 1.2343 (H11) 1.2344 (H13) 1.2367 11
UDDEHOLMS MATERIAL FÖR HEJARSMIDE Uddeholm har ett urval av stålsorter för detta område Varje kan riktas till de behov en viss applikation behöver Uddeholms stålsorter för hållare eller fasta matriser Alvar 14 Seghärdad Insatser Vidar Superior Orvar Supreme/Superior Dievar 12
TRADITIONELLA MATERIAL FÖR PRESSMIDE Pressmide ställer högre krav på verktyget för: Anlöpningsbeständighet Varmsträckgräns Höga HRC nivåer Dessa är traditionella stålsorter Verktygsstål för pressmide 1.2343 (H11) 1.2344 (H13) 1.2367 13
UDDEHOLMS MATERIAL FÖR PRESSMIDE Uddeholm har ett urval av stålsorter för detta område också Varje kan riktas till de behov en viss applikation behöver Formvar är vår nya stålsort för smide. Är en uppgradering från traditionella H13- typer Mycket lämpligt för insatser i pressmide, ger en ökad verktygslivslängd Uddeholm grades Vidar Superior Orvar 2M/Supreme/Superior Formvar Dievar Unimax QRO 90 Sup 14
Varmsträckgräns, Rp0,2 (MPa) VARMSTRÄCKGRÄNS VID 550 C 1000 950 900 850 800 750 Uddeholm Formvar H13/ H13 ESR 700 650 43 44 45 46 47 48 49 50 51 Hårdhet, HRC 15
SKADEMEKANISMER
HÖGKLASSIGA VERKTYGSSTÅL FÖR FORMAR Typiska skademekanismer Verktyg för Hejar-och Pressmide har samma vanliga orsaker till skador/haveri 17
RELATERADE SKADEMEKANISMER - SMIDE Termisk utmattning områden som utsätts för extrem kylning och värmning Nötning Radier, trånga passager, långa kontakttider Sprickor, djupa kaviteter (höga tryck) och skarpa radier Plastisk deformation, tunna eller veka områden, yttre radier 18
SKADEMEKANISMER -SPRICKBILDNING
Materialrelaterade orsaker: För hög hårdhet Ytbehandlingar SPRICKBILDNING Verktygsrelaterade orsaker: Skarpa radier och tunna väggar Rester från EDM Massiva block istället för insatser Felaktig värmebehandling Långsam kylning Felaktig temp, hålltid Processrelaterade orsaker: Otillräcklig förvärmning Låg temperatur i arbetsmaterialet Okontrollerad kylning/sprayning Felaktig uppriktning/support av verktyget Huvudsakliga krav på stålet Bra seghet och duktilitet 20
SPRICKBILDNING Skarpa radier 21
EFFEKTEN AV SKARPA RADIER SLAGSEGHET, joule. 33 27 20 15 7 0 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 mm 22
SPRICKBILDNING Övernitrering 23
INVERKAN AV NITRERINGSDJUPET ORVAR SUPREME @ 45 HRC, PLASMA NITRERING Böjhållfasthet, kn/mm² 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.04 0.14 0.3 0.45 mm 200C 20C 24
% OF FATIGUE LIFE EFFEKTEN AV OLIKA YTFINHETER 120 Polished surface 100 Ground surface 80 60 Rough machined surface Circumferential V- notch As-rolled condition 40 20 Corrosion attacks - fresh water Corrosion attacks - salt water Rough EDM'd surface 0 300 500 700 900 1100 1300 1500 Tensile strength, R m (MPa) 25
FÖRVÄRMNING AV VERKTYG FÖR ATT UNDVIKA SPRICKOR En kund använder Dievar med stor framgång, 3x verktygslivslängden jämfört med H13 för att göra delar som liknar detta för tunga lastbilar De förvärmer inte utan kör ca 3 arbetsstycken 1050 C för att värma upp formen Detta är inte bra och på en andra mer komplicerad form händer detta i början av produktionen... 26
Charpy-V [J] SEGHET VID FÖRHÖJDA TEMPERATURER 140 120 100 80 60 40 20 DIEVAR 45 HRC ORVAR SUPREME 45 HRC QRO 90 SUPREME 45 HRC VIDAR SUPERIOR 45 HRC 0 20 100 200 300 400 500 Temperatur [ C] 27
FÖR EN BRA VERKTYGSPRESTANDA KRÄVS BÅDE ETT BRA VERKTYGSSTÅL OCH EN BRA VÄRMEBEHANDLING. 28
KYLHASTIGHETENS INVERKAN PÅ SEGHETEN ORVAR SUPREME, 44HRC, 250 X 200 X 300 MM 29
KYLHASTIGHETENS INVERKAN PÅ SEGHETEN ORVAR SUPREME, 44 46 HRC S-T, centrum, dim. 762 x 305 mm Kylhastighet i C/min from 800 till 500 C Charpy V, J C/min 30
SPRICKBILDNING UNDVIK GNISTRESTER (EDM) Slipa/polera den gnistade ytan Avsluta med fingnistning låg ström, hög frekvens Anlöp verktyget vid cirka 25 C lägre temperatur än den ursprungliga anlöpningstemperaturen 31
FÖR ATT UNDVIKA STORA SPRICKOR Använd material med bra duktilitet/seghet Bra styrning på kylmediet Använd kontrollerad förvärmning Ta hänsyn till designen Underhåll Högkvalitativ värmebehandling Bra styrning av uppriktningen Rätt ämnestemperatur 32
SKADEMEKANISMER -NÖTNING
NÖTNING Materialrelaterade orsaker Låg hårdhet Ingen ytbehandling Design av arbetsmtrl och verktyg Komplicerade flödesmönster Design av ämnen och försmidessteg orsakar onödigt material flöde under smidningen Huvudsakliga krav på materialet: Hög hårdhet och bra anlöpningsbeständighet Processrelaterade egenskaper Oxidskal som glider längs gravyrytan För låg smidestemperatur Långa kontakttider 34
NÖTNING, H13, EXEMPEL Här kan man se vilken effekt höga temperaturer har på ett vanligt verktygsstål H13-stålet startar på ~50 HRC och efter 100h vid 600ºC har det löpts ner till 30/31 HRC Ser vi detta i verktyg.ja! 35
NÖTNING, H13, EXEMPEL Det här verktyget är tillverkat i H13 Hårdheten är 52/53 HRC Livslängden var låg, under 2000 Ingen ytbehandling eller beläggning och långa kontakttider 36
NÖTNING, H13, EXEMPEL Provområde Ytan var ~52-53 HRC Den har löpts ner till ~26 HRC Hårdheten har påverkats ~0,7 mm in i formytan Slutresultatet är dåligt nötningsmotstånd ~0,7 mm påverkad zon Uddeholm Formvar användes som en första uppgradering från H13 37
UDDEHOLM MATERIAL Formvar Unimax 38
FÖR ATT UNDVIKA NÖTNING/EROSION Använd material med bra varmhårdhet Utmärkt anlöpningsbeständighet Smörjning Ytbehandlingar Styrda produktionstemperaturer Verktygsdesign 39
SKADEMEKANISMER -TERMISK UTMATTNING
TERMISK UTMATTNING Materialrelaterade orsaker Otillräckligt motstånd mot termisk utmattning Processrelaterade egenskaper (stort ΔT) Okontrollerad sprayning av ytan Okontrollerad förvärmning av formen För hög ämnestemperatur --------------------------------------------------------- Ej optimal värmebehandling Hur detta uppstår?... Huvudsakliga krav på materialet: anlöpningsbeständighet, varmsträckgräns, bra duktilitet och kryphållfasthet 41
EFFEKT AV SPRAYNING OCH VERKTYGSTEMPERATUR Temperature Tensile stress T Temperature Stress Compressive stress Den cykliska kylningen/värmningen av verktygsytan har en kritisk inverkan på verktygslivslängden 42
Temperaturens inverkan på hållfastheten N/mm 2 Temp 43
Viktiga materialegenskaper för att motstå termisk utmattning Hög varmsträckgräns Hög kryphållfasthet Bra anlöpningsbeständighet Bra duktilitet
Hot yield strength, Rp0,2, (MPa) Jämförelse av varmsträckgränsen vid dragprovning vid 550ºC mot hårdhet för Dievar och Orvar Supreme Comparison of hot yield strength at tensile testing at 550 C versus hardness for DIEVAR and ORVAR SUPREME. 1000 950 900 DIEVAR 850 800 750 700 ORVAR SUPREME 650 42 44 46 48 50 52 Hardness (HRC) 45
Max sprickdjup (um) TERMISK UTMATTNING UDDEHOLM DIEVAR VS PREMIUM H13 220 200 180 160 Heat Checking 20-700 C/air/800 cycles DIEVAR Premium H13 T A =1025 C/30min 140 120 100 Uddeholm Dievar är mer motståndskraftigt mot termisk utmattning än Premium H13 80 60 40 20 0 40 42 44 46 48 50 52 Hårdhet (HRC) 46
Töjning [%] KRYPPROVNING VID 550 C OCH 500MPA 6 5 4 3 2 H13 Dievar QRO 90 Supreme 1030ºC 1 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Timmar 47
SKADEMEKANISMER -PLASTISK DEFORMATION
PLASTISK DEFORMATION Materialrelaterade orsaker Otillräcklig hållfasthet Otillräcklig hårdhet Designrelaterade orsaker Tillåter inte hög hårdhet i verktyget Områden med tunn godstjocklek Huvudsakliga krav på materialet varmhållfasthet, anlöpningsbeständighet och kryphållfasthet Processrelaterade egenskaper För lång kontakttid mellan arbetsmaterialet och formen Ämne- och verktygstemperatur 49
PLASTISK DEFORMATION Här har vi ett verktyg gjort i Uddeholm Dievar Verktyg: 47 49 HRC, och har spruckit Använt vårt material i åratal Verktyget havererade tidigt..varför? 50
PLASTISK DEFORMATION Verktyget verkar ha stora sprickor och verktygsstålet misstänks? Resultaten var mycket intressanta och mikroprover togs ut från dessa områden 51
PLASTISK DEFORMATION Verktygsytan har löpts ner i sprickområdet till 34 HRC och det totala området som påverkats är 0,8 mm djupt 52
PLASTISK DEFORMATION Detta lilla området med plastisk deformation var startpunkten för sprickan Plastisk deformation var ett resultat av nedlöpningen i ytan vilket kunde vara orsakat av nedanstående: 1. Ämnet var för lång tid på verktygsytan 2. Ämnet fastnade i verktyget 3. Ämnet hade för hög temp 4. Okontrollerad värmning av formen 53
ANLÖPNINGSBESTÄNDIGHET TIDENS INVERKAN PÅ HÅRDHETEN VID 600 C 54
FÖR ATT UNDVIKA PLASTISK DEFORMATION Använd material med bra varmhållfasthet Utmärkt anlöpningsbeständighet Undvik för mycket skägg/skräp på verktyget Undvik långvarig exponering för värme Överbelasta inte Optimera designen Formförändring pga. av mjuknande av det upphettade materialet 55
UDDEHOLMS VERKTYGSSTÅL
EGENSKAPER OCH FELORSAKER Koppling mellan materialegenskaper och felmekanismer Nötning och Plastisk deformation Plastisk deformation Beror på den kemiska sammansättningen i materialet. Anlöpningsbeständighet Varmhållfasthet Kryphållfasthet Termisk utmattning och sprickbildning 57
EGENSKAPER OCH FELORSAKER Koppling mellan materialegenskaper och felmekanismer Duktilitet Sprickbildning Beror på stålkvalitén - renhet, homogenitet, mikrostruktur etc. Seghet Spricktillväxt 58
350 300 ESR-BEHANDLAT STÅL VS KONVENTIONELLT PRODUCERAT Slagenergi /Joule 250 200 150 100 Längsgående Tvärgående Tjocklek 50 0 Conventional H13 Outside Conventional H13 Centre Uddeholm Dievar Outside Uddeholm Dievar Centre ESR-behandlade material har mycket lika egenskaper i alla riktningar 59
UDDEHOLM PRODUKTION DIEVAR Dievar i smidesapplikationer kan ofta göras i stora block Kemi ESR processen Smidesförhållande (reduktion) Värmebehandling före och efter smide Allt ovanstående ger den premiumprodukten som är Dievar Stort stuksmitt Dievarblock redo för smidning 60
UDDEHOLM QRO90 SUPREME & HT C Mn Si Cr Mo V Uddeholm QRO 90 Sup 0.38 0.75 0.30 2.60 2.25 0.90 QRO 90 Supreme har utmärkt högtemperaturhållfasthet och varmhårdhet Utmärkt anlöpningsmotstånd Utmärkt motstånd mot termisk utmattning Bra värmeledningsförmåga Rekommenderas för mindre insatser för stål och Cu-leg 61
UDDEHOLM UNIMAX C Mn Si Cr Mo V Uddeholm Unimax 0.50 0.50 0.20 5.00 2.30 0.50 Unimax har utmärkt anlöpningsbeständighet Utmärkt slitagemotstånd Bra seghet och duktilitet Bra varmhållfasthet Utmärkta genomhärdningsegenskaper Unimax är bäst lämpad för små insatser med enkla former 62
UDDEHOLM FORMVAR C Mn Si Cr Mo V Uddeholm Formvar 0.35 0.50 0.20 5.00 2.30 0.60 Formvar har bra seghet och duktilitet Utmärkt anlöpningsmotstånd Utmärkt härdbarhet Utmärkt varmhållfasthet Bra uppgradering från H13 för insatser och hela verktyg Dimensionsområde begränsat till Ø320 mm och olika plattdim 63
UDDEHOLM ORVAR 2M & ALVAR 14 C Mn Si Cr Ni Mo V Uddeholm Orvar 2M 0.39 0.40 1.0 5.30-1.30 0.90 Uddeholm Alvar 14 0.55 0.70 0.30 1.10 1.70 0.50 0.10 Orvar 2M har bra seghet Bra beständighet mot värme och nötning Orvar 2M är högsta kvalitet utan ESR och tillförlitlig Alvar 14 har bra seghet Bra stål för enklare hejarsmide 2 versioner mjukglödgad 250 HB och seghärdad till 330-400 HB 64
UDDEHOLM ORVAR SUPREME/SUPERIOR C Mn Si Cr Mo V Uddeholm Orvar Supreme/Superior 0.39 0.40 1.0 5.20 1.40 0.90 Beprövade stål som varit med länge Mycket bra seghetsegenskaper Bra beständighet mot värme och nötning Premiumtestade, uppfyller kraven i NADCA #207-2011 65
UDDEHOLM VIDAR SUPERIOR C Mn Si Cr Mo V Uddeholm Vidar Superior 0.36 0.4 1.0 5.0 1.3 0.4 Utmärkt seghet och duktilitet Bra beständighet mot värme och nötning Premiumtestad, uppfyller kraven i NADCA #207-2011 66
UDDEHOLM DIEVAR C Mn Si Cr Mo V Uddeholm Dievar 0.35 0.5 0.2 5.0 2.3 0.6 Utmärkt seghet och duktilitet Utmärkt varmhållfasthet Mycket bra härdbarhet Premiumtestad, uppfyller kraven i NADCA #207-2011 67
UDDEHOLM CASE STUDIES
CASE STUDY FORMVAR Bilindustrin, smide kolstål Detalj Vevstakar Smidestemperatur 1200 C Sänksmide Kontakttid 2-3 sekunder Material HRC Antal Skador Ombearb. djup Lokalt H13-stål Tot. Ant. Ombe. 48-50 1000 Nötning 5 mm x20 20,000 Total livslängd Formvar 50-52 2500 Nötning 2 mm x50 125,000 69
CASE STUDY FORMVAR Kina, smide C35 Detalj Navfläns Smidestemp 1200 C Sänksmide Kontakttid 2-3 sekunder Material HRC Antal Skador Ombearb. Djup Totalt antal omb. Total verktygslivslängd Lokalt H13-stål 48-50 4000 Nötning 5 mm 5 20,000 Formvar 50-52 8000 Nötning 2 mm 12 96,000 70
CASE STUDY DIEVAR England, Flygindustrin, smide Material FV538 Stort verktyg, smidestemp 1150 C Pressmide, 7000 ton Kontakttid 7 s, ej nitrerat Material HRC Antal Ombearb. mm Felorsak Totalt per verktygsset AISI H13 46 225 5 mm Nötning + Plastisk deformation DIEVAR 50 700 2 mm Nötning + Plastisk deformation 2610 18060 71
CASE STUDY UNIMAX England, flygindustrin smide Waspalloy Flygmotordetalj Smidestemp 1200 C Pressmide, 6000 ton Kontakttid under 30 sekunder, ingen nitrering Material HRC Antal Ombearb. mm Felorsak Totalt per verktygsset Inconel 718 40 50 9 mm Nötning + Plastisk deformation 550 DIEVAR 50 50 3 mm Nötning + Plastisk deformation Unimax 55 100 5 mm Nötning + Plastisk deformation 1650 2000 72
CASE STUDY, EXTRUSION SMIDE Material HRC Antal Nitrerad Haveriorsak Anm. AISI H13 52 600-1000 Ja Slitage & Deformation Går sönder i nitrering Unimax 56/58 7000 Nej Inga skador efter varje 1000 tal- slutlig haveriorsak är slitage Efter 1000 detaljer polera bort påkletningar och starta om produktionen 73
CASE STUDY, SMIDE Bilindustrin, smide material C35 Detalj Smidd kuggkrans Smidestemp 1200 C Pressmide Kontakttid 3-4 sekunder Material HRC Antal Nitrerad Haveriorsak AISI H13 46 5000 Ja Termisk utmattning/nötning/plastisk deformation Dievar 50 35000 Ja Termisk utmattning/nötning/plastisk deformation 74
CASE STUDY, SMIDE Bilindustrin, smide material C35 Detalj Smitt hjulnav Smidestemp 1050 C Pressmide i en automatiserad presslinje Kontakttid 2-3 sekunder Material HRC Antal Nitrerad Haveriorsak AISI H13 44 6700 Ja Nötning + plastisk deformation Unimax 52 19000+ Ja Nötning + plastisk deformation Unimax nästa försök 55/57 Mål 25000+ Ja 75
#1 IN HIGH PERFORMANCE TOOL STEEL