Hur restspänningar och utmattningsegenskaper påverkas av olika värmebehandlingsprocesser - Med fokus på Stål och Ythärdning

Hur restspänningar och utmattningsegenskaper påverkas av olika värmebehandlingsprocesser - Med fokus på Stål och Ythärdning Hans Kristoffersen Hans.kristoffersen@swerea.ivf 1

Swerea-koncernens olika dotterbolag Swerea IVF Instsitutet för Verkstadsteknisk Forskning, Mölndal Swerea KIMAB Korrosions och Metallforskningsinstitutet, Stockholm Swerea MEFOS Metallurgiska Forskningsstationen, Luleå Swerea SWECAST Gjuteriföreningen, Jönköping Swerea SICOMP kompositer, Piteå 2

Innehåll Vad är Värmebehandling kort repetition i ett historiskt perspektiv En enkel modell för visualisering av utmattningsegenskaper hos ythärdade komponenter Värmebehandlingsprocesserna, exempel Exempel på fel/problem som kan uppstå för de olika processerna Efterbehandlingar Case: Induktionshärdning 3

Värmebehandling/härdning kort historik Vid ett glödgat stålstyckes plötsliga avkylning genom neddoppning i vatten öfvergår således det i stålet befintliga cementkolet till härdningskol, hvarvid en innerligare förening mellan kolet och järnet uppstår Järn och Stål deras viktigaste egenskaper och behandlingssätt, W.Molin 1882 Verkningarna af härdningen bero hufvudsakligen på stålets kolhalt, på temperaturskillnaden emellan stålet och härdningsvätskan samt vidare på afsvalningshastigheten W.Molin enl ovan Om man neddoppar en glödgad stålbit i kallt vatten samt låter den där i ett sammanhang avsvalna, får stålet därmed en hastigt ökad hårdhet och skörhet. På frågan: Varför sker detta? kan jag blott svara: Jag vet det ej. Denna min okunnighet behöver jag dock ej skämmas för, ty män med mera lärdom än min, veta lika litet i detta stycke. Fenomenet har ej vetenskapen kunnat nöjaktigt förklara. Vi veta blott att härdningsprocessen sker, men dess innersta orsaker känna vi ännu icke. Om smide och härdning av verktyg i kolstål, A.W.Sjöholm (1950) 4

Utmattningsegenskaper hos en ythärdad komponent (böj, vrid, kuggrotsutmattning) En komponents utmattningsprestanda byggs upp av Geometrisk utformning Stålsort Renhet i stålet Val av värmebehandlingsprocess Ythårdhet Kärnhårdhet Härddjup Restspänningstillstånd Eventuella fel uppkomna vid värmebehandlingen Eventuella efterbehandlingar Pulsatorprovning av kugghjul 5

Effekt av pålagd last på ythärdad komponent MPa Utmattningshållfasthet Slät axel vid böjning Utmattningshållfasthet hos materialet som funktion av radie för en ythärdad komponent (t ex axel) Pålagd last 0 mm r Yta Centrum

Effekt av martensitbildning och restspänningar MPa Effekt av den bildade martensiten MPa Effektiv utmattningshållfasthet MPa + Effekt av restspänningar Typisk profil efter induktionshärdning Yta Centrum Utm. hållf. hos detalj R f ( r) = R * f ( r) mσ rs ( r) Yta Centrum

Värmebehandling av stål Stål och Värmebehandling En Handbok 8

Anlöpning För ythärdade komponenter (sätt-, induktions-, genomhärdade) görs i regel en lågtemperaturanlöpning vid 160-220 C i 1-2 timmar Ger sänkning av hårdhet (2-5 HRC) och restspänningar 15-80% men ökad seghet. Resultatet efter anlöpning är beroende av stålsort. Vid renodlad utmattningsprovning ger anlöpning ofta försämrade utmattningsegenskaper Den ökade segheten som fås efter anlöpning krävs dock för chockbelastningsegenskaper Anlöpning görs i regel inte för de nitreringsprocesser som utförs vid lägre temperaturer (< 600 C) 9

Sätthärdning Termokemisk process där kol tillförs ytan via ugnsatmosfären som sedan diffunderar in i materialet Härddjup normalt ca 0,2-2 mm Stål och Värmebehandling En Handbok 10

Sätthärdning Ythårdhet ca 60 HRC (ca 700 HV) Tryckrestspänningar i ytskiktet på ca 100-300 Mpa Grundkolhalt i sätthärdningsstålen är ca 0,2 % Vid så kallad atmosfärsuppkolning fås en oxidering av vissa legeringselement (Cr, Si, Mn) i ytskiktet ner till ca 20 µm. Detta ger försämrad härdbarhet och oxidínneslutningar, vilket påverkar tryckrestspänningar och utmattningsegenskaper negativt. Vid högre ytkolhalter fås även en ofullständig martensitbildning. Så kallad restaustenit kvarstår vilket sänker hårdhet och utmattningsprestanda. Vid mycket höga ytkolhalter kan även karbidutskiljning ske. 11

Stål och Värmebehandling En Handbok Sätthärdning randoxidation och restaustenit HTTP-struktur (High Temperature Transformation Products) på grund av oxidation av legeringselement Karbider och höga restaustenithalter vid höga ytkolhalter 12

Konsekvenser Randoxiden i sig själv är en defekt som kan initiera utmattningskador Felaktig mikrostruktur, HTTP eller restaustenit, sänker tryckrestspänningar och hårdhet vilket försämrar utmattningsegenskaper Stål och Värmebehandling En Handbok 13

Induktionshärdning Termisk process där en snabb värmning sker genom inducering av virvelströmmar i detaljens ytskikt Härddjup ca 1-10 mm Stål och Värmebehandling En Handbok 14

Typiska komponenter Axlar (men även kugghjul) Konturhärdning av kugghjul Stål och Värmebehandling En Handbok 15

Induktionshärdning Ythårdhet ca 50-65 HRC (ca 500-830 HV). Beror främst av stålets kolhalt. Normalt används en kolhalt på ca 0,4 % ca 58-60 HRC efter anlöpning Höga tryckrestspänningar i ytskiktet, ca 500-1000 Mpa Måttliga till höga dragspänningar under det härdade skiktet Induktionshärdning är en mycket snabb process vid både värmning och kylning. Detta ger en viss chockverkan på materialet som förklarar en del av den dramatiska restspänningsprofilen. Det snabba förloppet gör också att processen är mer känslig för variationer i kemisk sammansättning och mikrostruktur/leveranstillstånd hos inkommande material Ibland risk för härdsprickor Utmattningsegenskaper (roterande böj eller kuggrot) kan ligga i nivå med sätthärdat+kulpenat 16

Induktionshärdning Ejej? Ej upplöst grundstruktur pga för låg temperatur FEM-beräkning av spännings- töjnings-förlopp vid induktionshärdning av slät axel Höga dragspänningar under härdzonen Stål och Värmebehandling En Handbok Troostit/bainit i ytzonen på grund av långsam kylning 17

Konsekvenser För höga dragspänningar initierar utmattningsbrott under härdzonen Härdsprickor kan också uppstå antingen under själva härdförloppet eller innan anlöpning (då materialet fortfarande är sprött) Felaktig mikrostruktur i ytzonen sänker både hårdhet och restspänningar och därmed även utmattningshållfasthet 18

Nitrerprocesser Termokemisk process där kväve (nitrering) eller kväve och kol (nitrokarbuering) tillförs ytan via ugnsatmosfären som sedan diffunderar in i materialet Lågtemperaturprocesser (< 600 C) Härddjup normalt ca 0,05-0,8 mm Nitrering Nitrokarburering Stål och Värmebehandling En Handbok 19

Det nitrerade skiktet Stål och Värmebehandling En Handbok 20

Stål och Värmebehandling En Handbok Skiktets egenskaper Ythårdhet 350-1300 HV (35-77* HRC), beror på vald stålsort Tryckrestspänningar i det härdade skiktet 200-1200 MPa beroende på stålsort Exempel: Nitrerad Uddeholm Orvar (H13) +83% i kuggrotsutmattningsgräns jämfört med konventionell sätthärdning 21

Vad kan gå fel? Mjuka fläckar som saknar både föreningszon och ingen/minskad diffusionszon Är ofta renhetsrelaterat och samverkar med typen av bearbetning och typ av skärvätska Sänker ythårdhet och tryckrestspänningar drastiskt försämrade utmattningsegenskaper lokalt Stål och Värmebehandling En Handbok 22

Efterbehandlingar - Kulpening Kulpening Görs ofta på sätthärdade kugghjul sänker restaustenitmängden och ökar tryckspänningar till 800-1000 MPa ner till ca 200 µm samt ger ökad hårdhet i detta område Ger ofta markant förbättring av ytor med HTTP t ex i kuggrot där slipning inte gjorts 23

Efterbehandlingar - Riktning Görs ofta på axlar, både sätthärdade och induktionshärdade Påverkar restspänningarnas fördelning lokalt vilket sänker (och höjer) utmattningsegenskaperna Riktkraft Mothåll Mothåll 24

Efterbehandlingar - Riktning Omfördelning av restspänningar på ytan vid riktning av induktionshärdad axel Hur omfördelning sker beror av värmebehandlingsmetod och härddjup 12-1000 -800-600 -400-200 0 200 1 Axial residual stress at depth of 25 µm Uppmätta spänningar (XRD) vid 25 µm under ytan 2 9 400 3 4 6 5 Unstraightened reference Straightened to 80 kn Straightened to 97 kn 25

Efterbehandlingar - Manganfosfatering Manganfosfatering Görs ofta på sätthärdade transmissionskomponenter Ger ett inslitningsskydd, fungerar som smörjmedelsbärare och motverkar skärning Ger även tillsammans med inoljning ett bra korrosionsskydd 26

Restspänningar och utmattningsegenskaper Praktikfall Förskjutna brott för induktionshärdade utmattningsprovstvaraprovstavar 42CrMo4 - Bearing Quality Initiering 27

Från tidigare projekt Efter att vi hade upplevt samma sak tidigare gjordes det en förändring av provstavens anvisningsgeometri Vid övergången till den cylindriska ytan ansattes en radie Detta tycktes lösa problemet med de förskjutna brotten Men stålsorten var i detta fall C45 med ferrit-perlitisk utgångsstruktur 28

Beräknad böjspänning Spänning vid initiering ca 30 % av max i anvisning 29 Slutmöte - PF2014 Nya sätthärdningsstål 2015-03-31

Beräknad 1:a Huvudrestspänning Effekt av stålsort (42CrMo4 och C45) C45 Något lägre djup pga trögare austenitisering 42CrMo4 Isotr_Hard_var är en beräknad sträckgräns somprofilriktning baseras på I nästa bild deformationshårdnande Resp bildad fas sträckgräns Ca 300 MPa lägre huvudspänning I det kritiska området

Beräknade restspänningar Huvudspänning 1 Effekt av stålsort (42CrMo4 och C45) Martensitbildning 42CrMo4 C45 C45 M+B C45 enbart M 42CrMo4 31 Slutmöte - PF2014 Nya sätthärdningsstål 2015-03-31

Orsak Det mycket snabba värmningsförloppet vid induktionshärdning ger en plastisk deformation av området under härdzonen. Denna bygger upp dragrestspänningspeaken (tillsammans med effekten av martensitens expansion) Hur denna deformatition sker beror bl a av grundmaterialets sk leveranstillstånd/mikrostruktur. 42CrMo4 är i regel i seghärdat leveranstillstånd medan C45 är i ferrit-perlitiskt tillstånd. Detta innebär att 42CrMo4 har ca 300 MPa högre sträckgräns i leveranstillståndet Detta medför att den plastiska deformationen sker över väsentligt mindre volym i 42CrMo4 och därmed bygger till beloppet högre dragspänningar som överlagras på den pålagda yttre spänningen vid belastning 32

Värmebehandlingscentrum - VBC

Värmebehandlingscentrum - VBC Medlemsfinansierat forskningssamarbete mellan Swerea IVF och Swerea KIMAB och deltagande företag. Programforskning medlemsavgifter+institutsmedel Externa projekt främst Vinnova-finansierade (t ex FFI, Lighter, Metalliska Material) 34

Pågående projekt inom VBC med inriktning på utmattningsegenskaper SurfNit Fokus på nitrerprocesser och nötningsegenskaper LTK Lätta TransmissionsKomponenter Innovativa materialval och processvägar och hur det påverkar utmattningsegenskaper CleanCase Högrena stål för sätthärdning Inverkan på utmattningsegenskaper VBC PF 2017 - Materialets påverkan på kulpeeningsresultatet VBC PF 2017 - Inverkan av härdzonens utseende hos konturinduktionshärdade kugghjul 35

Frågor? Scientific Work for Industrial Use www.swerea.se 36