Polymerkoncentrationens inverkan på härdresultatet av seghärdningsstål

Polymerkoncentrationens inverkan på härdresultatet av seghärdningsstål Metall och verkstadsindustri, högskoleexamen 2018 Luleå tekniska universitet Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser

Examensarbete Högskoleexamen Polymerkoncentrationens inverkan på härdresultatet av seghärdningsstål. Författare: Examinator: Jörgen Andersson Kurskod: B0009T Examensarbete i Materialvetenskap, 7,5 Högskolepoäng 1

EXAMENSARBETE Grundnivå 2 Metall- och Verkstadsindustri Program Reg nr Omfattning Metall- och Verkstadsindustri 120 hp B0009T 7.5 hp Namn Datum 2017-02-15 Handledare Hampus Böe Företag/Institution Ovako Sweden AB Examinator Jörgen Andersson Kontaktperson vid företaget/institutionen Hampus Böe Titel Polymerkoncentrationens inverkan på härdresultatet av seghärdningsstål Nyckelord Härdning, cementit, polymer, martensit, kylning, sprickuppkomst, induktionshärdning Sammanfattning: Ovako Sweden AB i Hällefors har vid seghärdning av stål problem med sprickor. Studier visar på att tillsatser av polymer i kylvattnet ger ett långsammare och jämnare kylförlopp, vilket minskar risken för sprickor. För att fastställa vilken mängd polymer som är lämplig att tillsätta i kylvattnet vid härdning av deras låglegerade segment av seghärdat stål, så har undersökningar utförs på två stålsorter. Skillnaden i härdresultat mellan de olika testade koncentrationsnivåerna var små, men vid högre polymerkoncentration så fördelades hårdheten något jämnare genom hela tvärsnittet. 2

DEGREE PROJECT Metal and Engineering technology Programme Reg number Scope Metal and Engineering technology, 120 hp B0009T 7.5 hp Name Date 2017-02-15 Supervisor Hampus Böe Examiner Jörgen Andersson Company/Institution Ovako Sweden AB Supervisor at the company/institution Hampus Böe Titel The polymer concentration influence on the hardening result for quench and tempering steel Key words Hardening, cementit, polymer, induction hardening, crack onset, quench and tempering, martensit Summary: Ovako Sweden AB have problems with cracks during the process of hardening of steel. Studies show that the additives of polymer in the cooling water gives a slower and more even cooling process, which reduce the risk of crack onset. To decide the amount of polymer that is suitable to put in the cooling water at the hardening of their low-alloy steel segment of quenched and tempered steel, so studies have been conducted on two types of steel. The difference in hardening results between different tested concentration levels were small, but at higher polymer concentration the hardness was distributed slightly more evenly throughout the cross section. 3

Sammanfattning Ovako Sweden AB i Hällefors har vid seghärdning av stål problem med sprickor. Studier visar på att tillsatser av polymer i kylvattnet ger ett långsammare och jämnare kylförlopp, vilket minskar risken för sprickor. För att fastställa vilken mängd polymer som är lämplig att tillsätta i kylvattnet vid härdning av deras låglegerade segment av seghärdat stål, så har undersökningar utförs på två stålsorter. Skillnaden i härdresultat mellan de olika testade koncentrationsnivåerna var små, men vid högre polymerkoncentration så fördelades hårdheten något jämnare genom hela tvärsnittet. 4

Innehåll Sammanfattning... 4 Inledning... 6 Bakgrund... 6 Mål... 6 Syfte... 6 Avgränsningar... 6 Seghärdning... 7 Induktionshärdning... 7 Induktiv uppvärmning... 8 Härddjupet... 9 Släckningen... 9 Vatten... 9 Olja... 9 Polymer... 9 Kylmetoder... 10 Materialprovning... 11 Vickers hårdhetsprov... 11 Ljusmikroskop... 11 Svepelektronmikroskop... 12 Försöksplanering... 12 Resultat... 16 Resultat Ovako 061A... 16 Resultat Ovako 326F... 22 Diskussion... 27 061A... 27 326F... 27 Slutsatser... 28 Referenser... 29 5

Inledning Bakgrund Uppkomst av sprickor är ett betydande problem för Ovako Sweden AB i Hällefors vid seghärdning av stål. Studier visar att polymertillsatser i kylvattnet samt lägre härdningstemperaturer kan motverka sprickuppkomst. Tidigare försök med polymertillsatser vid kylning av Ovakos seghärdade stål har huvudsakligen gjorts på stålsort Ovako 495B. Ovako 495B är ett höglegerat stål relativt Ovako Sweden AB i Hällefors övriga segment av seghärdat stål. För att kunna införa kylning med polymer så krävs ytterligare försök på flera av stålsorterna som seghärdas. En gemensam polymerkoncentration för hela Ovakos seghärdade segment skulle underlätta införandet av polymer i kylvattnet avsevärt. Därför har, i detta arbete, försök gjorts på Ovako 326F och Ovako 061A, som tillhör de mer låglegerade stålsorterna i segmentet. Mål Att utifrån tester på Ovako 061A och 326F hitta en lämplig polymerkoncentration för hela Ovako Sweden AB i Hällefors segment med seghärdat stål. Syfte Utifrån tester med olika polymerkoncentrationer vid släckning av Ovako 061A och 326F dra slutsatser om hur polymerkoncentration påverkar härdresultatet. Avgränsningar Det är ett flertal faktorer under processen som påverkar risken för sprickuppkomst och spricktillväxt vid seghärdning. Detta arbete studerar induktionslinjen och specifikt kylningen. Då arbetet är begränsat till fem veckor så undersöks enbart två stål med låga legeringshalter. Ovako 061A och 326F är stål som både körs frekvent och är lågt legerade därför valdes dessa. Induktionslinjen hos Ovako Sweden AB i Hällefors är i bruk dygnet runt, därför har försöken begränsats till att utföras på laboratorium. 6

Seghärdning Vid seghärdning så härdas först stålet för att sedan anlöpas i relativt hög temperatur, 550-700 C. Syftet är att få en god kombination av hårdhet och seghet. Metoden lämpar sig väl för olika komponenter inom fordonsindustrin där krav på hög tolerans för vridpåkänning är avgörande. (1) Induktionshärdning Induktionshärdning är en härdningsprocess som använder sig av induktiv uppvärmning för att austenitisera stålet. Sedan kyls stålet snabbt och den austinitiserade volymen omvandlas till martensit. Induktionshärdning används för både ythärdning och genomhärdning. Induktionshärdning ger hög utmattningshållfasthet och hårda, nötnings beständiga ytor. Processen är snabb och energieffektiv. (1) Det finns många faktorer som påverkar härdresultatet, och dessa faktorer skall anpassas efter material och önskat resultat. Se Figur 1. FIGUR 1 PROCESSKARTA ÖVER KOMPONTER SOM PÅVERKAR HÄRDRESULTATET. FIGUR 1 FAKTORER VID INDUKTIONSHÄRDNING SOM PÅVERKAR HÄRDRESULTATET 7

Induktiv uppvärmning Induktiv uppvärmning bygger på att ett elektromagnetiskt fält skapas när växelström går igenom en ledare. När ledarna är utformade som en spole så koncentreras det elektromagnetiska fältet till mitten inuti spolarna. I metalliskt material som placeras i det koncentrerade elektromagnetiska fältet så uppkommer virvelströmmar i metallen. Dessa ger upphov till elektrisk resistans som i sin tur genererar värme. Alla material som leder elektrisk ström kan induktionshärdas. Då många metaller är goda elektriska ledare så lämpar de sig den tekniken väl för metaller. Det krävs dock högre frekvens för metaller som leder elektrisk ström bra, då resistansen blir mindre. Detta på grund av att mindre del av elektriska strömmarna blir till värme. Själva induktorn är alltså spolarna som avgör spänningen och ger upphov till virvelströmmarna i materialet och därmed initierar uppvärmningen. Hos magnetiska metaller så bidrar även så kallade hysteresförluster till uppvärmningen. Hysteresförluster uppstår då magnetfält växlar och friktion uppstår. Hysterförluster överstiger dock inte 10 % av det totala uppvärmningsbidraget. Materialet är vid induktionshärdning uppvärmt under kort tid, ofta mellan 5-30 sekunder. För att uppnå en fullgod härdning krävs det att hela materialet austinitiseras. I och med den korta uppvärmningstiden så krävs det en högre temperatur än vid konventionell härdning. (2) FIGUR 2 PRINCIPSKISS FÖR INDUKTIONS UPPVÄRMNING 8

Härddjupet Härddjupet vid induktionshärdning är beroende av: materialegenskaper, frekvens, tid, släckhastigheten, släckmedel, resistivitet. Dessa faktorer inverkar på inträngningsdjupet och därmed på härdningsdjupet. Frekvensen är direkt avgörande för inträningsdjupet då den avgör hur stora virvelströmmar som uppstår. (3) När strömstyrkan mätt från ytan har avtagit så att 37 % av strömstyrkan kvarstår så är härdjupet nått eller när hårdheten har sjunkit till 80 % av ytans hårdhet. (4) Släckningen Kylningen (även kallat släckning) är ett viktigt steg vid induktionshärdning, det är vid släckningen som fasomvandlingen till den hårda martentsiska strukturen sker. Släckningen har lika stor betydelse som uppvärmningen för härdresultatet. Fel kylmedel kan orsaka sprickor, böjningar, inre spänningar, att önskad hårdhet inte uppnås m.m. Vanliga kylmedel vid släckning är vatten, olja, luft och vattenbaserade polymerkylmedel. Det finns flera faktorer som påverkar vilket kylmedel som väljs. Dels de metallurgiska egenskaperna (härdbarhet), tvättbarhet, kostnader, arbetsmiljö, på senare tid har även ökad hänsyn tagits till miljöaspekterna. (4) Vatten Vatten ger en snabb och aggressiv kylning och används framför allt till stål som kräver en mycket snabb kylning. Risken är dock stor för sprickor och vatten medför en risk för korrosion. Vatten är det billigaste och miljövänligaste kylmedlet. Temperaturen på kylvattnet inverkar mycket på kylförloppet och därför används värmeelement för att värma upp vattnet till lämplig temperatur. (1)Se figur 3. Olja Olja har en betydligt lägre kylningshastighet än vatten och lämpar sig väl till höglegerat stål med god härdbarhet. Det finns olika typer av oljor som har olika egenskaper. Ur både miljö och arbetsmiljö synpunkt är oljor ett av de sämre alternativen. (5) Polymer Det finns olika typer av polymerer som används, vanligast är akrylater och glykolbaserade polymerer. Den akrylat baserade polymeren har egenskaper som liknar härdoljors. Genom variation av polymerkoncentrationen kan polymer ses som ett mellanting mellan vatten och olja. Vid kylning med polymerer så används vanligtvis en polymerkoncentrationen 9

på 5-15 % och resten vatten. Koncentrationen varierar beroende på vilka legeringshalter stålet har (höglegerade stål har ofta högre koncentration) hur snabbt kylförlopp som krävs, polymersort samt släckningsmetod. Se figur 3. (1) FIGUR 3 KYLHASTIGHET OCH KYLKURVOR FÖR OLIKA KYLMEDEL. Kylmetoder Släckningen sker antingen med duschar eller med bad. Avgörande för värmetransporten är mängden kylmedel som träffar den uppvärmda ytan per tidsenhet. Vid induktionshärdning är kylduschar vanligast (referens?). Kylförloppet med duschar är mer intensivt än vid bad. Vid kylning med duschar så undviker man ångfilmsfasen som annars uppstår mellan ytan på materialet och kylmedlet, vilket minskar värmeöverföringsförmågan. Duschar ger därför en snabbare och jämnare härdning. (1) För stål med mycket hög härdbarhet kan luft användas, antingen får stålet ligga på fritt på en svalbädd eller med kyls forcerat med tryckluft. 10

Materialprovning Vickers hårdhetsprov Med hjälp av vickers hårdhetsprov så går det att fastställa materialets hårdhet. Hårdhetsprofiler går att göra från ytan och inåt i materialet och utifrån dessa går det att utläsa hårdheten genom materialet. Vickers hårdhetsprov mäter materialets förmåga att motstå plastiskdeformation. En diamant med spetsen slipad till formen av en pyramid trycks med konstant tryck mot en plan del av provbiten. Ett mjukare material kommer uppvisa ett större intryck. Utifrån intryckets storlek och den pålagda kraften så räknar man fram ett värde enligt formeln nedan: Hv= 1,854 x F/d 2 1 Där kraften F mäts i kg och d 1 i mm. Värdet anges i HV skalan, t.ex. HV10 innebär att intrycket gjordes med 10 kg tryck. Intrycket ses med hjälp av ett mikroskåp. Vickersmetoden lämpar sig väl till båda mjuka och hårda metaller. (6) FIGUR 4 VICKERS HÅRDHETSPROV. INTRYCKET. Ljusmikroskop Ett vanligt ljusmikroskop består av ett linsystem med två positiva linser, objektivet och okularet. Det går enkelt att byta mellan olika objektiv med olika förstorning. Skärpedjupet på ljusmikroskop är begränsat, vilket gör att ytan som ska som studeras inte får vara ojämn. 11

Maximal förstorning vid ljusmikroskopering är ungefär 1000X förstorning, där ljusets våglängd är begränsande. Ljusmikroskopering används vid analys av stål för att studera mikrostruktur, faser, karbider, inneslutningar, kornstorlek m.m. (7) Svepelektronmikroskop Svepelektronmikroskop (SEM) bygger på en elektronstråle som scannar av föremålet och sänder sedan tillbaka information om sammansättning, topografi m.m. Beroende på vilket ämne som elektronerna träffar i provytan så tränger de olika långt in. Det som går att studera i ljusmikroskop går att studera i SEM, men med mycket högre förstorning, över 100 000 gånger förstorning. Skärpedjupet är betydligt större, vilket gör att man kan studera ojämna ytor, såsom t.ex. brottytor. (8) Försöksplanering Efter samråd med processutvecklaren Hampus Böe på Ovako Sweden AB i Hällefors och studier av tidigare försök så valdes två stålsorter ut. Närmare bestämt Ovako 326F och Ovako 061A. Gemensamt för dessa är att de tillhör Ovakos seghärdade stål med lägre legeringshalter och därmed lägre härdbarhet. Härdningstemperatur, tid och polymerkoncentration bestämdes utifrån data och riktvärden från Ovako AB och G A Lindberg ProcessTeknik AB (återförsäljare av polymer). En slumpvis vald stång togs innan induktionshärdnigen hade påbörjats och kapades med en bandsåg till 200 mm långa bitar av båda stålsorterna. Polymerkoncentrationerna som testats var 7,10 och 13 %. För varje koncentration så togs tre bitar av stängerna ut och härdades. Även en stångbit som inte härdats av varje stålsort togs ut och analyserades för att få referensmaterial och kunna påvisa strukturförändringar. Totalt 20 prover. Efter härdningen anlöptes inte proverna då det är härdresultatet som undersöktes. Vid släckningen av 326F i 10 % polymer så sprack en prov stång längs med hela stången. Då det inte var möjligt att såga ut en kuts av den spruckna stången så togs två kutser från samma stång. Detta för att få tre prover att analysera även vid släckning med 10 % polymer. Teknisk data för polymer Aquatensid Bwrb Leveransform Grön trögflytande vätska Densitet 1,093 g/cm3 vid 20 C Viskositet vid 20 C ca 700 cst ph-värde koncentrat ca 8,7-9,1 i 5 % lösning vid 20 C Kokpunkt ca 100oC Stelningspunkt -25 12

Kemisk sammansättning Ovako 061A : FIGUR 6. REFERENSBILD. 061A CENTRUM. KYLT MED 10% POLYMER. FIGUR 7. REFERENSBILD. 061A YTAN. KYLT MED 10 % POLYMER. 13

Kemisk sammansättning 326F: Följande material och utrustningar har använts vid försöken: Polymer Aquatensid Bwrb Ovako 061A 38mm ø. Ovako 326F 38mm ø Härdkar av stålplåt volym ca: 250l 22 kw kammarugn Refraktometer för att mäta koncentrationen av polymer. Vicklers Buehler HV10 Ljusmikroskop Modell Zeizz Scope A1 SEM (Svepelektronmikroskop) Modell TM3000 Hitachi. Bandsåg Kap ( Laboto - 3) Planslip Grovslip med 60 papper 14

Våtslip 600 papper Polering Diamantpasta 9 och 3µ För varje koncentration så gick testet till enligt nedan: Tre slumpvis valda 200 mm långa stång bitar valdes ut. Härdades i 60 min vid 820 C för Ovako 061A och 840 C för 326F. Stångbitarna togs ur ugnen med en tång för att direkt sänkas ner i polymerbadet. Tången höll i stångbiten i ca: 60s under omrörning. Av varje stång sågades en 20 mm kutsbit ut. Kutsen slipades plan med planslip. Slipning med grovslip 60 papper Polering i två steg med diamant pasta med 9µ sedan 3µ) Hårdhetsprofil (intryck för varje millimeter) från ytan till centrum togs fram med Vickers HV10. Mikrostruktur analyseras och bilder tas i ljusmikroskop och svepelektronmikroskåp. FIGUR 5 OHÄRDAD STÅNG SÅGAS UPP TILL 200MM BITAR 15

Resultat Resultat Ovako 061A FIGUR 6 OHÄRDAT 061A 500X 16

Figur 7. Mellan yta och centrum. 1000X Figur 8. Centrum 1000X. 17

Figur 9. Nära Ytan. 500X Figur 10. Centrum. 500X 18

Figur 11. Mellan yta och centrum. 1000X. Figur 12. Centrum. 1000X. 19

FIGUR 13. 061A 13% POLYMER. CENTRUM 80X. FIGUR 14. 061A 13% POLYMER. CENTRUM 80X. VICKERS INTRYCKEN SYNS TYDLIGT. FIGUR 15. 061A 10% POLYMER. MELLAN YTA OCH CENTRUM. 2500X FIGUR 16 061A 13% POLYMER. CENTRUM. 8000X 20

Sammanställd graf med medelvärdet från varje intryck. Ingen påvisbar skillnad i hårdhet går att utskilja beroende på polymerkoncentration. Strukturbilderna kan inte påvisa skillnader beroende på polymerkoncentrationen. Det förekommer segringar med hög hårdhet som tydligt ansamlas mot centrum, framkommer tydligt på figur 13 och 14. 21

Resultat Ovako 326F Figur 13. 326F Ohärdat. 1000X. 22

Figur 14. 326F 7%. Mellan yta och centrum. 1000X Figur 15. 326F.7%. Centrum. 1000X. 23

Figur 16. 326F 10 %. Nära ytan. 1000X Figur 17. 326F 10 %. Centrum. 1000X. 24

Figur 18.326F 13%. Mellan yta och centrum. 1000X Figur 19. 326F 13%. Centrum. 1000X. 25

Sammanställd graf med medelvärdet för varje intryck. OBS! För 13% är värdena för prov 3.1 ej med räknande då de avvek kraftigt. Jämn strukturfördelning. Liten skillnad i medelhårdhet genom tvärsnittet beroende på koncentrationen av polymer. Ythårdheten lägre vid högre polymerkoncentration. Noterbart är att vid släckning med 13 % polymer så har prov 3.1 en hårdhet som är betydligt lägre än de övriga proverna. 26

Diskussion 061A Resultatet visar att bland de testade polymerkoncentrationerna går det inte att utskilja någon skillnad i härdresultaten. 7 % polymer tillsats i vattnet verkar vara tillräckligt för att uppnå önskat resultat. Förekomsten av segringar i materialet som ansamlas mot centrum förklarar den ökade hårdheten i centrum. Troligt ger segringarna upphov till något större mängd cementit i centrum och en högre kolhalt i martensiten efter härdning. Förekomsten av segringar gör att det blir svårare att dra slutsatser ifrån såväl hårdhetsprofilerna som strukturbilderna. Att hårdheten i ytan är som högst stämmer väl överens med Jominy provet (s.11) för stål 061A. Det som avviker från Jominy provet är att hårdheten ökar mot centrum. Referensbilden på strukturen i centrum (figur 6) skiljer sig från resultatbilderna på strukturen i centrum (t.ex. figur 16). Vilket även det kan förklaras av förekomsten av segringarna då härdbarheten så väl som hårdheten hos martensiten ökar med ökad kolhalt. 326F Hårdheten vid ytan minskar vid högre polymerkoncentration medan hårdheten i centrum ökar. Hårdheten blir alltså jämnare fördelad genom tvärsnittet vid högre polymerkoncentration. Skillnaderna är dock små och kommer att vara ännu mindre efter anlöpning. Hårdheten i centrum vid kylning med 7 % polymer avviker på prov 1.2 och är ca: 50 vickers hårdare än de övriga två proverna. Vid kylning med 13 % polymer så avviker prov 3.1 kraftigt i hårdhet, ca: 100 vickers mjukare genom hela tvärsnittet. Trolig är att när kutsen skulle kapas ut ifrån provstången så blev det så varmt att kutsen tog anlöpning i ytan. Resultaten från detta prov har därför haft mindre betydelse för slutsatserna. Provstången som sprack längsmed hela stången vid kylning med 10 % polymer var troligtvis en ändbit som fått sprickan injicerad vid klippningen med kallsax efter valsverket. Att en av provstängerna sprack vid kylning med 10 % polymer men ingen av provstängerna vid 7% polymer tyder på det då det borde vara större sprickrisk med den lägre polymerkoncentrationen. Troligt att sprickan hade blivit mindre om provbiten hade kylts med högre koncentration av polymer. 27

Slutsatser Högre polymerkoncentration ger något jämnare hårdhet genom tvärsnittet. Även vid kylning med 13% polymer så uppnåddes fullgod härdning på stål 326F. Segringarna som ansamlas emot centrum på stål 061A bör utredas vidare. 28

Referenser 1. Torsten Holm, Eva Torell och Pelle Olsson. Stål och värmebehandling ISBN 978-91-86401-04-7 (2010). Mölndal : Swerea IVF, 2010. 2. Andreas, Andersson. Cell för induktionshärdning : -En inledande studie för ett beslutsunderlag. u.o. : Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling, 2008. 3. Widen, Martin. Restspänningsmätningar i induktionshärdade kamringar. Luleå : Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik, 2003. 4. Böe, Hampus. Härdprocessens inverkan på sprickuppkomst och spricktillväxt vid induktionshärdning av Ovako 495B. Falun : Högskolan Dalarna, 2014. 5. Quenchants For the heat-treatment of steel, cast iron and aluminium alloys. Tyskland : PetroFer Chemile. 6. Malmberg, Marina. Utredning av laserskärningens materialpåverkan inför drag- och slagprovning. u.o. : Teknisk Fysik med Materialvetenskap, 2013. TVE ; 13059. 7. Stemne, Lennart. Materiallära 1. Filipstad : Bergsskolan, 2001. 8. Eriksson, Maria. Kvalitetsarbete på stålverk: Undersökning av slagseghetsprover och kvalitetsbristkostnader relaterade till dem. Karlstad : u.n., 2011. 9. Aquastensid BWRB Informationsblad.. u.o. : GA Lindberg ProcessTeknik AB. 29