LASERHÄRDNING FÖRSTUDIE FÖR ALTERNATIVT HÄRDSÄTT

Examensarbete 15 högskolepoäng C-nivå LASERHÄRDNING FÖRSTUDIE FÖR ALTERNATIVT HÄRDSÄTT Reg.kod: Oru-Te-AU3005-A106/08 Staffan Ericsson och Niklas Andersson Projektingenjörsprogrammet 180 hp Örebro vårterminen 2008 Examinator: Maj Bodin LASER HARDENING, PRESTUDY FOR ALTERNATIVE HARDENING Örebro universitet Örebro University Institutionen för teknik Department of Technology 701 82 Örebro SE-701 82 Örebro, Sweden

Förord Examensarbetet är genomfört på Atlas Copco Secoroc i Fagersta (AC). Examensarbetet omfattar 15 högskolepoäng och är den avslutande delen av projektingenjörutbildningen vid Örebro Universitet. Vi vill särskilt tacka våra handledare, Roland Lindfors på AC och Lennart Schön vid Örebro Universitets tekniska institution, för all hjälp och handledning under arbetet. Vi vill även tacka teknologie doktor Anders Olsson på AC för hans hjälp inom metallografiområdet. Hans expertis har varit till stor nytta vid beräkningar och förståelse för härdningsförloppet. Lars Sääf och övrig personal i experimentverkstaden samt Jan Andersson i produktionslabbet har lärt oss hur beredning och mätning går till på AC. Utan deras hjälp hade vi inte fått fram det resultat vi önskat. Slutligen vill vi rikta ett stort tack till personalen på utvecklingsavdelningen och produktionstekniska avdelningen på AC. Fagersta 2008-05-30 Staffan Ericsson Niklas Andersson 2

Sammanfattning Detta examensarbete är genomfört vid Atlas Copco Secoroc i Fagersta. Företaget driver ett projekt som är inriktat på att öka livslängden på produkterna. Det finns många grenar i projektet varav en handlar om laserhärdning. Examensarbetets syfte var att med hjälp av kvalitetsmetoder och tester undersöka om laserhärdning av borrstängsgängor kan vara ett alternativ för Atlas Copco. De kvalitetsmetoder som användes var främst till för att veta hur vi skulle inrikta arbetet då laserhärdning är relativt outforskat, och därmed ett stort område att undersöka. Examensarbetet inleddes med att kartlägga vår del i projektet och utifrån det hitta avgränsningarna på arbetet. Därefter inleddes en omfattande litteraturstudier om framförallt metallurgi och laser, sedan följde uppsökande av olika företag och legotillverkare som arbetade med laser. De företag som var intressantast för vår del var Duroc i Olofström och Svensk Verktygsteknik i Luleå. Svensk Verktygsteknik kunde med kort varsel träffa oss för att diskutera fram en provhärdning av borrstängsgängor. Testet genomfördes i Luleås Tekniska Universitets laserlaboratorium och omfattade 12 borrstängsgängor. När vi fått tillbaka provbitarna följde hårdhets-, härddjups- och strukturmätning. Resultaten vi fick var väldigt varierande beroende på effekt och matningshastighet på lasern. Gemensamt för alla testkörningar var dock att vi fick ojämnt härddjup på grund av att testet kördes genom att härda borrstängsgängan med två vändor. Det fanns en viss restvärme vid andra härdvändan och det medförde högre absorbering av effekten av laserstrålen. Andra härdvändan gav således mycket högre härddjup. Efter analysen av provbitarna presenterade vi en försöksplanering för fortsatta härdningstester. Förslaget är utformat så att det ojämna härddjupet ska motverkas. Ett annat spår vi rekommenderar är simulering av laserhärdning, dock måste värmeledningsförmåga, absorberingsgrad och kylningshastighet kartläggas för det aktuella stålet för att kunna simulera fram relevanta resultat. 3

Abstract This thesis work was made at Atlas Copco Secoroc in Fagersta. The company runs a project with an attempt to increase the lifetime of the products. There are many parallel tracks of the project one of those is the process of hardening with laser technique. The thesis work flow was to with help of quality methods and tests determine whether laser hardening of the threads of the drill steel could be an option for Atlas Copco. The purpose of the tests and quality methods used in our work, was to explore and investigate the laser technique, since it is relatively undeveloped within steel hardening. The thesis work was initiated and delineated in the project, targets and methods were decided followed by the initiation of an extensive literature search on the above metallurgy and laser. Next step was the outreach of different suppliers/companies and sub suppliers skilled in laser technique. The most interesting companies were Duroc in Olofström and Svensk Verktygsteknik in Luleå. Svensk Verktygsteknik could at short notice meet us in order to discuss a test hardening of the threads. The test was carried out in Luleå Technical University laser laboratory and covered the 12 drill steel threads. When we got the test pieces in return followed measuring of surface hardness, depth of hardening and structure. The results we got variated quite a lot depending on the laser beam power and feed rate of the laser. Common to all tests driven, however, was that we got an unevenly depth of hardening because the test was run twice (but not on the same surface) on the drill steel threads (2 nd from the start again). There was a certain residual heat at the second turn by the laser and it resulted in higher absorption of the power laser beam. The additional turn gave therefore much larger hardening depth. After the analysis we presented an experiment for further hardening with laser. The proposal is designed so that the uneven depth after laser hardening will countered. Another track, we recommend is simulation of laser hardening, however, the thermal conductivity, absorption rate and cooling rate must be identified for the current steel so the simulation gives us relevant results. 4

INLEDNING...7 BAKGRUND...7 SYFTE OCH MÅL...7 AVGRÄNSNINGAR...7 PROBLEMSTÄLLNING...7 FÖRETAGSPRESENTATION...8 TEORETISK BAKGRUND...9 FAKTORSFÖRSÖK...9 METALLOGRAFI...10 Kolets inverkan på järnet...10 Kylning...11 HÄRDNING...12 Induktionshärdning...13 Flamhärdning...14 LASER...15 Applikationer...16 Härdning med laser...16 Olika typer av laser...17 Säkerhetsklasser laser...18 MÄTMETODER...19 Vickersprovning...19 Brinell...21 Rockwell...22 EMPIRI...23 FLÖDESSCHEMA ARBETSGÅNG...23 BRAINSTORMING...24 ISHIKAWA (ORSAK-VERKAN-DIAGRAM)...25 INTERVJUER...26 LASERHÄRDNING...27 Hur vi härdade...27 Syfte...28 Krav...28 LABORATION...30 Spår ett...31 Spår två...33 Spår tre...35 ANALYS...36 STRUKTUR...36 FORTSATTA FÖRSÖK...38 TVÅ-FAKTORSFÖRSÖK...38 FÖRSÖKSPLANERING...39 FÖRSÖK...40 SLUTSATS OCH FÖRSLAG...41 5

SLUTSATS...41 FÖRSLAG...41 REFERENSER BÖCKER...42 TEKNISKA RAPPORTER...42 FÖRESKRIFTER...43 ELEKTRONISKA...43 MUNTLIGA...44 FIGURER...44 BILDER...45 EKVATIONER...46 BILAGA A...47 BILAGA B...49 6

Inledning För att ge läsaren en bra uppfattning om rapporten går vi igenom bl.a. bakgrund, syfte och problemställning Bakgrund AC Secoroc (AC) i Fagersta driver ett projekt som handlar om att öka livslängden på produkterna. Det finns många grenar i projektet och ett handlar om laserhärdning. AC var i behov av en förstudie om hur laserhärdning fungerar och om tekniken skulle vara relevant för dem. Uppdraget låg bra i tiden för vårt examensarbete och passade in på vår utbildning. 1:a april 2008 började vi vårt examensarbete på AC i Fagersta. Syfte och mål Det huvudsakliga syftet med arbetet är att via informationsinhämtning och testkörningar undersöka om AC:s stål kan härdas med laser med likvärdiga resultat som vid induktionshärdning. Målet är att ge svar på de frågor som tas upp i problemformuleringen och att vår rapport skall kunna ligga till grund för fortsatt fördjupning inom laserhärdningsområdet. Avgränsningar Laserhärdning är en relativt ny och obeprövad härdningsmetod jämfört med induktionshärdning. Det finns mycket som behöver utredas och studeras kring laserhärdning. Vi har därför begränsat oss till att undersöka metoden att laserhärda med hjälp av en top-hat stråle. Problemställning Från examensarbetets specifikation har vi hämtat problemställningen som vi utgick ifrån när vi började med examensarbetet Vid vilka applikationer används laserhärdning idag Är våra stålsorter lämpliga att laserhärda Vilka härddjup är möjliga Vilka hårdheter kan uppnås Krävs efterföljande anlöpning Vilka leverantörer av utrustningar finns Finns miljömässiga för- eller nackdelar Är det ekonomiskt att ersätta enbart induktionshärdning med laser Finns det något som talar för att laserhärdning skulle öka livslängden på gängor Vi återkommer i slutet av rapporten med svar på problemställningen 7

Företagspresentation Atlas Copco är en världsledande leverantör av produktionshöjande lösningar för industrin. Produkterna och tjänsterna sträcker sig från luft och gaskompressorer, generatorer, gruv- och anläggningsutrustning, industriverktyg och monteringssystem till relaterad eftermarknad och uthyrning. Företaget är uppdelat i tre affärsområden. Kompressorer och generatorer Gruv- och anläggningsutrustning Industriteknik Atlas Copco har 68 produktionsanläggningar i 20 länder, huvudkontoret ligger i Stockholm och företaget verkar i ca 150 marknader varav det finns säljorganisationer i 80 länder. 2007 omsatte företaget 63 miljarder kr och vid årets slut var det 33000 anställda. Atlas Copco Secoroc tillhör tillsammans med 7 andra divisioner affärsområde Gruv och anläggningsutrustning med totalt 12600 anställda, divisionen Secoroc har 2000 anställda och har tillverkning i 7 andra länder med en omsättning på 4000 MSEK. Huvudsaklig tillverkning är borrverktyg t.ex. stänger, borrkronor, nackadaptrar och utrustning för sänkborrning. Produktbolaget i Fagersta har 6 verkstäder bestående av stång, sänkborr, hårdmetall, nackadapter, stiftborr, helstångs- och konstångsverkstad (Ockelbo). Antal anställda är 550 kollektiva och ca 150 tjänstemän. Omsättningen är ca 2000 MSEK. 8

Teoretisk bakgrund En teoretisk bakgrund presenteras för att läsaren ska kunna tillgodogöra sig empiridelen. Faktorsförsök För att kunna utveckla en produkt eller process kan faktorsförsök vara ett bra verktyg. Ett faktorsförsök föregås av en försöksplanering där det gås igenom vilka faktorer som påverkar produkten/processen. Utifrån det väljer man ut ett antal faktorer som är relevanta, ju fler faktorer desto fler försök. Varje faktor ges en hög nivå respektive en låg nivå, benämns + och -. (Bergman & Klefsjö 2001) Ett exempel: Delförsök Faktor A B C 1 - - - 2 + - - 3 - + - 4 + + - 5 - - + 6 + - + 7 - + + 8 + + + Fig 1 (Bergman & Klefsjö 2001) Ovan ser ni ett trefaktorsförsök. Tre faktorer med två nivåer ger total åtta försök för att testa samtliga möjliga kombinationer. När faktorsförsöket är klart bör effekten av att ändra en faktor uppskattas. Det gör man genom att placera in resultaten av alla kombinationer i ett tredimensionellt diagram se fig. 1 Utifrån detta diagram kan effekten av att höja t ex faktor S för varje typ av kombination. Uträkningen sker på följande sätt ((79-67)+(90-59)+(75-61)+(87-52))/4 = 23. Om siffrorna är procent så innebär en höjning av faktor S en ökning på 23 % i genomsnitt. Liknande uträkningar kan göras med någon annan faktor som utgångspunkt. (Bergman & Klefsjö 2001) En annat intressant sätt att undersöka är samspelseffekterna mellan O och C, betecknat OxC. Samspelet fås fram på följande sätt: (effekten av att höja O på hög C-nivå) (effekten av att höja O på låg C-nivå) Blir resultatet 0 så råder inget samspel mellan faktorerna. (Bergman & Klefsjö 2001) I detta fall blir det ((87-75)+(52-61))/2 ((59-67)+(90-79))/2 = 0 Differensen blev alltså 0, det råder således inget samspel mellan O och C. Vi kommer att återkomma till faktorsförsök senare i rapporten. 9

Metallografi Metallografi är läran om metallernas inre byggnad (Thelning 1992). Vid värmebehandling påverkas metallens struktur. Rumstempererat järn som inte är värmebehandlat har en struktur som kallas Ferrit. Ferriten är stabil dels under 911 C men även över 1392 C. Upp till 911 C kallas järnet för α-järn och över 1392 C för -järn. När Ferriten uppvärms och temperaturen överstiger 911 C bildas Austenit. Austeniten behålls upp till 1392 C då Ferrit uppstår igen. Austeniten kallas för -järn. Upp till 769 C är Ferriten ferromagnetisk men ju högre temperatur desto lägre ferromagnetism, övergång temperaturen kallas även för Curie-punkten. (Thelning 1992) Ferriten och Austeniten har olika atomuppbyggnader. Till höger finns Ferritens och Austenitens atomuppbyggnad. Ferriten har en atom i varje hörn och en atom i mitten av kuben. Austeniten har en atom i varje hörn men även en atom i varje kvadrat. (Thelning 1992) Fig 2 (Thelning 1992) Fig 3 (Thelning 1992) Kolets inverkan på järnet Rent järn är mjukt och väldigt känsligt för oxidation. För att få önskade egenskaper på järnet legerar man det. Vanligaste legeringsbeståndsdelen är kol. När järnet anrikas med kol bildas stål. Det finns flera olika stålsorter beroende på kolhalt t.ex. gjutjärn, snabbstål osv. I rumstemperatur är kolets löslighet i järn i princip obefintlig, istället förekommer kolet förenat med järnet och kallas järnkarbid vars kemiska beteckning är Fe 3 C som även benämns som Cementit. När järnet legeras med kol ändras omvandlingstemperaturerna mellan α-, - och -järn. Detta illustreras i fig 4. Under diagrammet i fig 4 finns fyra bilder på olika strukturer. Från vänster: Ferrit Ferrit + Perlit Perlit Perlit + Cementit Dessa strukturer är beroende på kolhalt och temperatur, ovan G-S-E strecket finns en bild på Austenit. (Thelning 1992) 10

Fig 4 (Thelning 1992) Kylning Man kan få olika strukturer på stålet beroende på hur man kyler Austeniten. Beroende på hur snabbt man kyler stålet och på vilken temperatur man stannar upp. Detta ses tydligt i ett så kallat CCTdiagram (Continuous Cooling Transformation) som visas i fig 5. Diagrammet ger en tydlig bild på principen för de olika strukturomvandlingarna. Tidskalan brukar presenteras som logaritmisk av praktiska skäl. Det talas i huvudsak om tre olika strukturer när man kyler Austeniten. Dessa är Perlit, Bainit och Martensit. (Thelning 1992) Fig 5 CCT diagram (www.doitpoms.ac.uk) 11

Härdning Syftet med härdningen är att göra stålet hårt. Vid härdningen värms stålet upp till härdningstemperaturen så att Austenit bildas sedan kyler man stålet snabbt så att Martensit bildas. Kyler man stålet för sakta bildas Bainit eller Perlit, dessa två strukturers egenskaper skiljer sig från Martensiten. Härdningstemperatur och kylningshastighet är individuellt för varje stålsort. Låglegerat stål måste kylas snabbare än höglegerat stål, anledningen till detta är att låglegerat stål har kortare tid på sig att bilda Martensit. Detta medför att låglegerat stål får lägre seghet jämfört med höglegerat stål. Höglegerat kan kylas saktare och ändå få en Martensitstruktur, det man vinner på det är högre seghet i stålet vilket är bra för hållfastheten. De kylmedier som brukar användas är luft, olja och vatten. (Thelning 1992) Vid härdning bildas Martensit och den är oftast för spröd för att kunna användas direkt. För att minska sprödheten anlöper man stålet vilket i sin tur även sänker hårdheten och ökar segheten i stålet. Detta resulterar i ett mer hållbart stål. Anlöpning fungerar så att man värmer upp stålet till lämplig temperatur. Anlöpningstemperaturen är beroende på stålet, dock ska anlöpningstemperaturen vara lägre än härdningstemperaturen. Det finns olika stadier i anlöpningen men ett vanligt förfarande är att stålet värms till cirka 200 C beroende på stålsort och håller det värmt i drygt en timme, sen låter man det svalna i rumstemperatur. Det som sker är att Martensitens kolhalt sjunker och tack vare det minskar sprödheten. Det finns dock undantag när det gäller anlöpning. När höglegerat stål och snabbstål anlöps sker det en dubbelhärdning vilket resulterar i en sekundärhårdhet. (Thelning 1992) Om det finns för mycket inre spänningar i stålet kan stålet förändra sin form alltför mycket i den efterföljande härdningen. De inre spänningarna kan bero på den föregående bearbetningen som t.ex. kan vara kraftig riktning och smidning. För att komma till bukt med detta problem kan man avspänningsglödga stålet. Avspänningsglödgningen innebär att man värmer upp stålet till 600 C och sen låter det svalna sakta först i ugn ner till 500 C och sedan ute i luften. Är det väldigt känsliga detaljer som ska avspänningsglödgas bör man kyla väldigt sakta i ugnen ner till 300 C och först efter det kyla i luft.. (Thelning 1992) 12

Induktionshärdning Induktionshärdning är en typ av ythärdning, dvs. materialet värms från ytan och inåt. Värmen sprider sig in mot kärnan men materialet blir inte genomhärdat. Eftersom hela arbetsstycket inte härdas är kärnan mjukare än ytan, detta gör att stålet blir segare än ett genomhärdat stål vilket kan vara fördelaktigt för hållbarheten. Induktionshärdningen funkar på så sätt att en ström går igenom en ledare och ett magnetfält uppstår runt ledaren. Om ledaren går i en slinga (som i detta fall) kommer det magnetiska fältet koncentreras inuti denna. Det är detta magnetfält som påverkar det metallstycke man placerat i spolen för att härda, det vill säga att magnetfältet kvarstår inuti slingan trots tillfört metallstycke. (IVF 95860) Fig 6 (www.mse.kth.se) Det som sker är att magnetfältet växlar riktning i takt med spolens frekvens, detta resulterar i virvelströmmar i detaljen och dessa alstrar värme. Till 90 % är det resistiv uppvärmning dvs. uppvärmning p g a det elektriska motstånd som finns i ytskiktet på detaljen. Resterande 10% som värmer upp ytan är hysteresförluster. Denna värmning sker bara upp till curiepunkten eftersom det är en magnetisk uppvärmning. Hysteresförlusterna är beroende av frekvens och styrka hos det magnetiska fältet. Över curiepunkten sker bara uppvärmning genom resistiv uppvärmning. (IVF 95860) Värmen börjar på ytan och arbetar sig in i materialet. För att få önskat resultat (vanligtvis Martensit bildning) ska man kyla detaljen direkt efter avslutat uppvärmning. Härddjupet beror på frekvensen och effekt per ytenhet. Låg frekvens medför att strömmen ligger kvar längre innan den byter riktning och på så vis hinner värmen sprida sig djupt in i materialet. Hög frekvens ger fler riktningsförändringar vilket resulterar i sämre spridning av värmen. Låg frekvens och låg effekt per ytenhet är passande när man vill ha stort härddjup och hög frekvens och högeffekt är passande när man vill ha litet härddjup. Det man ska se upp med är hög effekt och låg frekvens, det kan ge smältning av godset. (IVF 95860) Det härdade området får större volym än bulkmaterialet vilket resulterar i tryckspänningar. Dessa spänningar ökar utmattningshållbarhet. De flesta härdbara stålsorter kan härdas med induktionshärdningen men enligt vissa är seghärdat stål det bäst lämpade. (Thelning 1992) 13

Flamhärdning Ett alternativ till induktionshärdning är flamhärdning. Denna metod har samma användningsområde men är uppbyggd på ett annorlunda sätt. Här värms detaljen upp med direkt värme i form av en låga/flamma. Investeringskostnaderna är lägre för flamhärdning än för induktionshärdning, medan driftkostnaderna är högre (Thelning 1992). Ska man tillverka mycket av en bestämd artikel utan avancerad geometri är alltså induktionen att föredra. Med flamhärdning kan man lättare avgränsa härdområdet genom att begränsa flamman, vilket är svårt med induktionen eftersom induktorn oftast konstrueras för en speciell geometri. Vanligtvis används en blandning av syrgas och brännbar gas. Den blandas i en brännare och utformas med hänsyn till den detalj som ska härdas. I Thelning 1992 nämns tre olika härdningsmetoder för flamhärdning. 1. Handhärdning Genom att för hand värma godset med en låga, antingen genom att styra lågan för hand alternativ ha en fast låga och röra stycke som ska värmas. Fördelen med denna metod är att man kan begränsa zonen som ska värmas. Vanligtvis kyls handhärdade produkter i kylkar då det är smidigt. 2. Spinnhärdning Metoden används för rotationssymmetriska kroppar som placeras på ett roterande bord eller i en chuck. Rotationshastigheten brukar ligga på ett varv/sekund. Den låga rotationshastigheten gör att värmen hinner sprida sig in i materialet och ger på så vis en jämn temperatur i stycket. Antal flammor per fixtur är individuellt, stora stycken som ska härdas behöver oftast fler flammor än mindre stycken. När spinnhärdningen är klar kyls stycket i dusch alternativ i kylkar. 3. Progressiv härdning eller frammatningshärdning Innebär att man går fram med brännaren över stycket, först värms stycket upp med lågan direkt efteråt kyls stycket med kylvatten som sitter i samma frammatningsfixtur. Progressiv härdning kan även användas tillsammans med spinnhärdning. Det man ska se upp med då är rotationshastigheten, om den är för snabb kommer kylvattnet kastas ut från stycket och påverka härdningen och/eller omgivningen med vatten. 14

Laser Laser är en akronym för det engelska uttrycket Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ljusförstärkning genom stimulerad emission av strålning. Uttrycket myntades av Gordon Gould. Redan 1957 beskrev han teorin om laser. Den första användbara lasern konstruerades dock inte av Gould utan av Theodore Maiman 1960 (www.arctica.org/lasersidan). Den vanligaste förekommande laserstypen är halvledarlasern som finns i många konsumentprodukter, t.ex. CD och DVD spelare, laserpekare m.m. En laser kan vara kontinuerlig eller pulsad. Den kontinuerliga lasern avger en konstant ljusstråle medan den pulsande avger en ljuspuls som kan vara mycket kort, ända ner till femtosekunder (10-15 s). Pulsande stråle används när man vill ha laserpåverkan en kort stund t.ex. märkning med schablon. Den kontinuerliga strålen har många användningsområden t.ex. härdning, svetsning och kapning. Solen eller en glödlampa sänder ut ljus med alla möjliga våglängder och riktningar. Medan laserljuset är enfärgat (monokromt) och breder ut sig i en riktning, man säger att laserljuset är koherent dvs ljuset ligger i fas. Se fig 7. (Wikipedia\laser och IVF 95822) Fig 7 (IVF 95822) Jämförelse av intensitet i fokus mellan inkoherent (överst) och koherent (underst) strålning. 15

Applikationer Förutom i industrin används laser vid kirurgi och till kosmetiska ingrepp, t.ex. hårborttagning. Industriellt används laser till många olika applikationer, det är bara fantasin som sätter gränserna, t.ex. kan laser användas till att: Gravera /märka Skära Belägga Härda Mäta Bearbeta Svetsa Bild 1 (www.m-pro.se) Justerrattar till Öhlinsdämpare som är lasergraverade Bearbetning med laser går till så att en laser hjälper till att smälta materialet i tex. en svarv så det går lättare för skäret att ta bort material. Det finns även applikationer där man använder lasern till att göra hål eller hjälpa till att bearbeta på olika sätt. Sen finns vanlig skärning där man har ersatt skärbrännaren eller plasma med laser, det blir väldigt fint snitt efter lasern och det behövs ingen efterbehandling. Vid optiska applikationer där man inte vill ha så mycket effekt i materialet så det blir varmt har man en laser från en lägre klass. Det kan handla om laserpekare när man håller en presentation istället för den traditionella pekpinnen eller att snickaren har en laser på cirkelsågen som hjälper till att visa var klingan kommer skära. Härdning med laser En defokuserad laserstråle värmer upp ytan som omvandlas till Austenit. Austeniten kyls sedan av det omgivande bulkmaterialet. Vid laserhärdning är uppvärmningen lokal vilket medför att materialets egen värmeledningsförmåga räcker till för att leda bort värmen tillräckligt snabbt så att Martensit bildas. Kylningshastigheter upp till 10 4 C/s kan förekomma (Miralles 2003). Temperaturen i arbetsstycket, förutom i härdzonen, är i stort sett oförändrad under hela förfarandet på grund av den lokala värmetillförseln som laserhärdning innebär. Enligt intervju är laserhärdningen djupare än 1,5 mm ovanligt (Gedda Hans). Hårdheten som fås via laserhärdning följer det specifika CCT-diagram 16

som finns för varje stålsort, det är alltså ingen skillnad på laserhärdning och konventionellhärdning gällande den biten. (IVF 00011) Olika typer av laser Det finns många olika typer av laser men de som är aktuella för oss är: Diodlaser (halvledarlaser) CO 2 (Koldioxid) Nd:YAG laser (Gedda Hans) Diodlaser I en halvledarlaser eller laserdiod är det aktiva mediet är en halvledare som liknar en lysdiod. Diodlaser eller halvledarlaser som den brukar kallas används mest i konsumentprodukter som CDoch DVD spelare samt laserpekare. Diodlasern har nu på senare år även börjat används inom industrin vid t.ex. härdning. CO 2 (Koldioxid) Absorberingsgraden är under 10 % och våglängden 10,6µm vid normal infallsvinkel. Eftersom absorberingen blir så låg vid CO 2 lasern måste ytan svärtas med ett absorberande material tex grafitpulver, sotspray och kiseldioxidpulver. Nd: YAG Denna laser består av en Yttrium Aluminium Garnet- kristall. Om kristallen dopats med neodym fås en rödaktigkristall som kan användas vid olika bearbetningar. Lasern har en våglängd på 1,06µm. Verkningsgrad ligger mellan 30-40% vid obehandlade ytor. Fördelen med Nd: YAG är att man kan undvika ytbeläggning vilket blir en mer komplicerad process. Det ska dock tilläggas att ytbeläggning är att föredra i vissa fall när man har stora krav på absorbering. (wikipedia/laser och Ready & Farson 2001) 17

Säkerhetsklasser laser Nedanstående klasser är ett utdrag av vad som ingår i klasserna, för fullständig information se källan. Klass 1 Lasrar i klassen är ofarliga även vid lång tids exponering. Klassen omfattar även apparater som innehåller lasrar av högre klass men är inbyggda och förseglade så att ingen farlig strålning kommer ut. Exempel på sådana är CD spelare och laserskrivare. Klass 1M Lasrar vars totala effekt eller pulsenergi överskrider vad som tillås i klass 1, men där strålen inte är smal utan utbredd. M står för magnifier. Vissa lasrar som används för fiberoptisk kommunikation tillhör denna klass. Klass 2 klassen innehåller lasrar som avger synlig strålning med maximal effekt på 1 milliwat. Exempel på lasrar i denna klass är vissa typer av laserpekare. Klass 2M klassen omfattar lasrar som ger synligt ljus i en mycket divergent stråle alternativt har en stor stråldiameter. Klass 3R klassen omfattar lasrar som avger upp till 5 gånger klassgränsen för klass 1 om strålningen är osynlig eller upp till 5 gånger gränsen för klass 2 för synlig strålning. R står för restricted. Klass 3B klassen innehåller lasrar vars styrka överskrider klass 3R, med en övre klassgräns på 0,5 watt. Sådana lasrar betraktas som riskabla för ögat både vid direkt exponering och vid exponering från en reflex. Klass 4 Klassen omfattar allt som är starkare än klass 3B, dvs med en effekt på över 0,5 watt. Här kan det vara farligt att oskyddad betrakta en upplyst fläck på en matt yta. Lasrar som används för kirurgi och att skära metall tillhör denna klass. (www.ssi.se) Arbetsgivare som använder laser i sin verksamhet skall informera arbetstagarna om vilken laserklass lasern tillhör, om vilka risker som är förenade med den samt om vilka säkerhetsåtgärder som behövs. Arbetsgivaren skall förvissa sig om att laseroperatörerna har erforderlig utbildning. Arbete med laser skall planeras, bedrivas och följas upp så att skador från laserstrålningen förebyggs. Eventuella risker med laserstrålningen skall bedömas och dokumenteras redan på planeringsstadiet liksom vid förändringar i verksamheten eller i laserutrustningen. Vid behov skall laserstrålningen mätas. (AFS laser) 18

Mätmetoder Det finns flera olika sätt att mäta hårdhet hos metaller, både förstörande- och oförstörande provning. De som vi kommer gå igenom är alla förstörande provmetoder och det innebär att man måste kapa sönder materialet för att kunna mäta. Oförstörande är som namnet låter och detaljerna kan efter mätning fortsätta in i produktionen. Det finns olika metoder med bl.a. ultraljud och virvelström. Den oförstörande metoden är inte lika tillförlitlig som den förstörande metoden. Tekniken är inte lika utvecklad och används inte i så stor utsträckning. Oftast måste instrumenten kalibreras innan provet med en detalj som man känner till. Man måste även ha olika utrustningar för olika mätsätt, t.ex. djup och hårdhet. AC har provat i flera omgångar men metoden har inte visat sig konkurrenskraftig mot de metoder som används idag. Det finns potential för framtiden om den utvecklas och blir mer tillförlitlig. (Andersson Jan) Vickersprovning Vickers kan man dela in i två olika sätt, nämligen i vanlig Vickers och Knoop. Den senare är en variant Vickers med skillnaden att diamanten har en annorlunda form. Se (fig 9) Vickers Vid Vickersprovning används en pyramidformad diamant enligt (fig 8) med 136º vinkel mellan sidorna. Diagonalerna på avtrycket uppmäts och HV värdet avläses i tabell. HV följt av ett nummer t.ex. HV 5 innebär att diamanten trycks ner med 5kg * 9,82m/s² = 49,1N d = d 1 + d 2 2 Eq 1 medelvärde av intryck Vickers (IVF 91607) F HV = 0,1891 Där F = provkraft i (N) 2 d Eq 2 uträkning hårdhet Vickers (IVF 91607) Intryckskroppen belastas normalt under 10-15 s. genom att variera intryckskraften kan både mjuka och hårda material testas. (IVF 91607) 19

Fig 8 diamant Vickers (www.gordonengland.co.uk) Knoop Knoopmetoden är en variant på Vickers med den skillnaden att intryckskroppen ser annorlunda ut. Se (fig 9). Metoden är lämplig att använda då man vill bestämma hårdheten i tunna skikt, intrycket är bara hälften av vad Vickers har. Intrycken kan även placeras närmare varandra än Vickers om man vill mäta på en begränsad yta. Definition: F HK = 0,102 0,07028L 2 Eq 3 uträkning Knoop (IVF 91607) Fig 9 diamant Knoop (www.gordonengland.co.uk) 20

Brinell Hårdhetsmätningsmetoden Brinell är döpt efter sin uppfinnare Johan August Brinell, Överingenjör vid dåvarande Fagerstabruk mellan 1882 och 1903, han lyckades fördubbla produktionen under den tiden (Wikipedia\brinell). I Brinellmetoden används en kula som intryckskropp av härdat stål eller hårdmetall. Storleken på kulan väljs från diameter (D) 1-10 mm och provkraften (F) 9,807 N 29,42 kn. Vid provning på stål skall följande förhållande råda mellan provkraft och kuldiameter: F 0,102 = 30 2 D Eq 4 uträkning kulstorlek Brinell (IVF 91607) Rekommenderad kuldiameter är 10 mm om provkroppens tjocklek medger detta. Tjockleken skall vara minst 8 ggr intrycksdjupet (h). Provkraften skall hållas i 10-15 s. Brinellhårdheten definieras enligt: 2F HBS eller HBW = 0,102 π D D D 2 2 ( d ) Eq 5 uträkning hårdhet Brinell (IVF 91607) Där: D = Kuldiameter F = provkraft (N) d = intryckets medeldiameter (mm) Fig 10 Brinellprovning (IVF 91607) Brinellhårdheten anges med ett värde följt av HB, enligt standarden anger man vilken typ av kula som använts som tredje bokstav. HBS för stålkula respektive HBW för hårdmetall. (IVF 91607) Brinellprovning används vanligen på hårdheter upp till 550 HB. Vid hårdheter upp till 450 HB används stålkula (HBS) och över används hårdmetall (HBW). Brinell kan användas på material med hårdhet upp till 600HB med hårdmetallkula. (Thelning 1992) 21

AC använder Brinell till att mäta hårdhet upp till ca 270-330 HB. Ska man mäta på hårdare material används andra mätmetoder tex Rockwell C. Rockwell Det finns flera typer av Rockwellprovning: Rockwell C (HRC), Rockwell N (vanligen HR30N) och Rockwell B (HRB). Rockwell C är den vanligaste av metoderna så det är den som vi tar som exempel (Karlebo). AC använder i största utsträckning HRC för att den skalan passar bra mot produkterna som mäts. AC använder Rockwell till att mäta hårdhet upp till ca 64 HRC. Rockwellprovning är den snabbaste metoden, testresultatet utläses direkt på mätklockan. En diamantkon eller stålkula används som intryckskropp. Intryckskroppen belastar man med en förlast (F 0 ). Mätklockan nollställs varefter en tillsatslast (F 1 ) påläggs under ca 10 s. hårdheten bestäms utgående från den ökning av intrycksdjupet, e, som finns efter avlastning av (F 1 ) jämfört med nollnivån. Enheten för e är multiplar av 0,002 mm. Vid provning med diamantkon beräknas hårdheten genom: HRC = 100 e. (IVF 91607) Fig 11 Rockwellprovning (IVF 91607) 22

Empiri Flödesschema arbetsgång Informationssökning om induktionshärdning Kvalificerade intervjuer Förstudie gamla processen (induktion) Lära oss om hur härdningen går till idag, måste ha något att jämför aden nya tekniken mot Studier om hur AC:s utrustning fungerar Informationssökning om laserhördning Förstudie nya sättet (laser) Kvalificerade intervjuer Studier om hur härdning går till (praktiskt) Omvärldsanalys Vad finns det för något i omvärlden. R & D, vilka tillverkare finns av utrustning. Vilka tekniker finns. Studiebesök Litteraturstudie Söka information och litteratur inom områdena. Läsa in oss på framförallt det nya området laserhärdning. Nya rön m.m Benchmarking Hur gör andra företag. Hur löser andra företag med liknande produkter. Hur laserhärdar andra företag. Provhärda stål och se om det är möjligt, är det någon idé att över huvud taget gå vidare Labb Analysera resultatet från alla steg. Stor hänsyn tas givetvis till laborationen, både härddjup, hårdhet m.m Analys Staffan & Niklas Thursday, May 29, 2008 23

Brainstorming I början av arbetet satte vi oss ner och spåna fram vad som påverkar vårt examensarbete. Vi kom fram till nedanstående tankekarta. Tankekartan har fungerat som en bra orientering i vårt arbete, vissa av spåren har vi bortsett ifrån på grund av den begränsade tiden. 24

Ishikawa (orsak-verkan-diagram) För att få fram potentiella orsaker till vårt problem med borrstängsgängor som går sönder använde vi oss av ett ishikawadiagram. Ett ishikawadiagram fungerar så att man utifrån ett känt problem letar övergripande områden som kan vara orsaker till problemet. För att underlätta sökandet efter orsaker kan man använda sig av något som kallas 7M (Bergman & Klefsjö 2001). Management Här tas saker som ledningens ansvar och hur organisationen styrs Människa Rätt man på rätt plats, finns den kompetens som behövs Metod Är tillverkningen tillförlitlig, är processmetoderna väl specificerade Mätning Fungerar mätutrustningen som den ska, får man felaktiga värden Maskin Hur ser underhållet ut, hur varierande är utfallet på produkterna Material Är materialet korrekt, lever leverantörerna upp till specifikationerna Miljö Påverkar miljön produkten Vi använde oss av alla ovanstående punkter när vi gjorde vårt diagram förutom management. Anledningen till det är att vi inte fick inblick i området samt att det inte kan beskrivas lika konkret som de andra punkterna. Vi har valt att koncentrera oss på produktionen. Tack vare ishikawadiagrammet har vi fått en uppfattning om vilka faktorer som påverkar hållbarheten på gängorna. 25

Intervjuer Det finns två typer av intervjumetoder, en där man går efter ett frågeformulär och en där man pratar fritt om ämnet. Vi har använt oss av båda typerna av intervju. Det frågeformulär som vi upprättade skickade vi till Duroc samt Svensk Verktygsteknik, formuläret var till för att snabbare sätta sig in i ämnet. Frågeformulären med svar finns som bilaga A och B. Ett besök gjordes på Svensk Verktygsteknik och där träffade vi forskningschef Tekn. Dr. Roger Andersson samt projektledare Tekn. Dr. Hans Gedda. Vi pratade fritt med dem angående laserhärdningens möjligheter och begränsningar. Tekn. Dr. Hans Gedda expertis har hjälpt oss väldigt mycket i vårt arbete. Han har hjälpt att förstå vilka delar som är viktiga vid laserhärdning. 26

Laserhärdning För att ta reda på om stålet går att härda med laser genomfördes provhärdning. Härdningen genomfördes av Svensk Verktygsteknik i Luleå som ligger långt framme i utvecklingen. Härdningen genomfördes i laserlabbet på Luleås tekniska universitet (LTU). Hur vi härdade Provhärdningen genomfördes med Nd:YAG laser. Laserstrålens form var tophat pga att den var monterad och klar att köra, det kortade väntetiden avsevärt. Nd:YAG passar bra för att härda stål eftersom våglängden absorberas bra av stålet. Innan testet ägde rum gick vi igenom hur det praktiskt skulle gå till och vilka krav vi hade, de kommer preciseras nedan under egen rubrik. Vi hade några funderingar som vi gick igenom med berörda parter på AC och i Luleå. Vad ska provhärdas Anlöpning Gänga/ogängat Följa flank eller spiral Vad förväntar vi oss Vad ska provhärdas Det stål som skickades upp för provhärdning är det som används vid ythärdning Anlöpning Om provbitarna skulle anlöpa eller inte var en svår fråga. Enligt litteraturen borde inte anlöpning behövas men vi är väldigt källkritiska till det. Det preciseras inte varför det inte behövs. Metallurgerna på AC ansåg att anlöpningen borde göras på provbitarna. Därför bestämde vi oss för två körningar med samma parametrar varvid den ena anlöptes enligt kravspecifikationen (se rubrik krav). Gänga/ogängat Skarpa produkter är gängor i vårt fall, men provbitarna som följer med ner i ugnarna i produktionen är vanliga cylindrar. Fördelen med att använda provbitarna är många, bl.a. är de enklare att få tag på, bara att gå ut i lådan och hämta. Andra fördelar är att provhärdningen blir enklare med inställningarna när ytan är plan och att den är gjord för att passa bra i testutrustningen i provlabbet. Testmässigt spelar det ingen roll för oss hur biten ser ut, vi får samma resultat, om det går att härda materialet eller inte. Fördelen med en skarp produkt är att man ser direkt hur det blir med nivåskillnaden som uppkommer mellan gängtopp och dal. En annan fördel är att svårigheter upptäcks på ett tidigt stadium och lösningar till dessa kan påbörjas tidigt. Vi valde till slut att köra med riktiga produkter som är gängade. Vi rådgjorde med Professor Hans Gedda på Svensk Verktygsteknik och fick information om att härdning av gängorna skulle kunna göras på ett tillfredsställande sätt. Följa flank eller spiral Med det menar vi om man kör en flank i taget eller följer kanten på det senast härdade hela tiden, ungefär som när man klipper gräs, kör omlott. Nackdelen med denna variant är att överlappen 27

kommer väldigt tätt, inte bara på toppen eller botten. Det gick att köra en flank i taget och få ett tillfredsställande djup. Överlappen går därmed att få bort från flankerna och detta är att föredra eftersom den överlappande zonen får sämre utmattningsegenskaper enligt litteratur på området och även enligt expertisen på företaget. Vad förväntar vi oss Härddjup enligt specifikationen som vi har angett, ca 2 mm. Hårdhet på ca 50 HRC, det är dock inte lika viktigt som djupet. Vi förväntar oss dock att materialet tar härdning, dvs. att materialets hårdhet ökar efter laserhärdningen Syfte Syftet med provhärdningen är att i första hand se om det är möjligt att laserhärda stålet. Enligt litteraturen ska det gå att laserhärda lågkolhaltiga stål. Detta är en validering av teorin. Krav Önskat härddjup ligger på ca 2mm och den önskade profilen ser ut som nedanstående bild, dock så kan ni bortse från djupet på slagytan (D), vi är i första hand ute efter att härda gängan. Ythårdheten vi är ute efter ligger på cirka 50HRc. För varje parameter (körning) vill vi ha en härdad och en härdad + anlöpt i ugn. De bitarna som skall anlöpas anlöps under 1h i full temp i ugnen i 180 C nedre delen Bild 2 Gängprofil (AC intranät) övre delen 28

I Luleå började härdningsförsöken med att härda några rundstavar vi skickade upp, för att ungefär hitta de effekter och hastigheter som krävdes för att kraven skulle uppnås. Nedanstående tabell ansågs vara bra utformad för att möta våra krav. Prov nr Effekt w Hastighet m/min 1, 1A 2500 0,5 2, 2A 2000 0,5 3, 3A 2000 0,75 4, 4A 2500 0,75 5, 5A 2500 1 6, 6A 2800 0,75 29

Laboration 30

Flödesschemat på föregående sida ger en överblick över laborationen på provbitarna. Vi går igenom schemat från början till slut. När provbitarna kommit i retur från Luleå började vi att kapa dem i våtkapen till behändigare bitar. Anledningen till att vi kör med våtkapen är att det är viktigt att det inte blir bränningar vid hög värme från kapskivan. Det blir även fina snitt. När bitarna fått rätt längd märkte vi upp materialet mycket noga. Det är viktigt att hålla reda på vilka bitar som är vilka, annars är hela testet förgäves om vi inte vet vilka parametrar som hör till vilket prov. Efter att bitarna fått rätt längd klöv vi dem på mitten med den ena biten lite större. Efter klyvningen börjar de olika spåren. För att kunna genomföra laborationerna behöver provbitarna beredas. Laborationen är uppdelad i två block, beredningen och mätningen. Strukturanalysen ingår i mätblocket. Det finns tre spår i laborationen. De första två stegen är gemensam för de olika stegen (se flödesschema A och B) sedan tar de tre spåren vid. Varje spår består av beredningsdel och mätningsdel. Förberedelserna (beredning) ser lite annorlunda ut i de tre spåren eftersom de syftar till att mäta olika saker, se flödesschema. Som ni kan se i flödesschemat är de två första processerna innan de tre stegen tar vid samma (A och B). Först kapas överflödigt material bort från bitarna så de får rätt längd, bara gängan (A). Nästa process är klyvningen (B). (A) Bild 3 ( (B) Bild 4 Avslutningsvis kopplas de tre stegen ihop med analysen (C). Analysen syftar till att väva samman de olika mätvärdena från respektive spår till ett resultat. De olika spåren mäter olika saker och helheten av alla tre avgör vad som är relevant. Spår ett Spår ett syftar till att mäta kärnhårdhet och se härdprofilen över hela detaljen genom etsning. Tillvägagångssättet följer nedan. Beredning När process A och B är avklarad så tar spår ett vid som mynnar ut i kärnhårdhetsmätning (1.3) och avläsning okulärt av etsningen (ruta 1.7). Innan de två operationerna kan genomföras måste det genomföras olika beredningsprocesser. Första beredningsoperationen som sker är fräsning för att 31

komma ner till kärnan som skall mätas (1.1). Bild 5 Sedan är det planslipning (1.2). Bild 6 För att hårdhetsmätningen skall bli så rättvis som möjligt måste ytorna vara plana och parallella. Därför används planslipen på båda ytorna, över och under. Processen underlättar även kommande steg. Planslipen använder kylvatten för att säkerställa att det inte blir bränningar eller ofrivillig anlöpning. Nästa steg är kärnhårdhetstest, se rubrik mätning. När hårdhetsmätningen är klar återstår att slipa och polera upp ytorna för etsningen. Detta görs i steg 1.4 och 1.5. Slipningen görs för hand i slipmaskinen eftersom bitarna inte är inbakade i bakelit och därför inte passar in i någon fixtur. Slipningen görs i tre steg, börjar med grovt papper och avslutar med poleringsskiva med speciellt polermedel. All slipning och polering är kyld antingen med vatten eller avsett kylmedel. Det är viktigt att provbitarna tvättas noga mellan slipstegen för att undvika att få med partiklar från föregående steg. Partiklarna är olika stora, om en 6my partikel följer med till steget där 3my medel används blir det repigt. Rengöringen sker med vanlig tvål och vatten. Bitarna tvättas sedan av med alkohol och sedan avdunstar man alkoholen i värmefläkten, detta för att undvika vattenfläckar. Det är extra viktigt att bitarna tvättas noga innan etsningen, det får inte förekomma smuts eller fett på dem. Etsningen tar inte om det finns smuts på ytan. Etsningen gjorde vi med Nital, det är en blandning av alkohol och salpetersyra. Handskar ska användas och etsningen skall ske i dragskåp. 32

Etsningen som är den sista beredningsoperationen sker i steg 1.6 och syftar till att okulärt kunna se härdprofilen. Mätning/labb Första mätningen är process 1.3, kärnhårdhetsmätning. Det syftar till att mäta kärnhårdheten i materialet. Mätningen görs med HRC. Mätningen görs minst på tre olika ställen på provbiten för att säkerställa att resultatet är korrekt. Det är viktigt att kalibrera maskinen innan mätning med ett referensblock som man vet hårdheten på. Bild 7 Innan nästa mätning sker fortsatt beredning, se föregående rubrik. Nästa steg inom mätningen blir avläsning av härdprofilen efter etsningen (1.7), den avläsas okulärt eller i mikroskop. Spår två Spår två syftar till att mäta härddjupet. Mätningen genomförs med en automatisk Vickersmaskin. Mätningen sker både på toppen och dalen av gängan och på både topp och botten av gängprofilen. Beredning Efter att process A och B är avklarade så börjar vi med att klyva ytterligare klyvning/kapning. Två bitar per gänga tas ut för mätning, en bit från övre delen av gängan och en från nedre delen den som är närmast stången (se fig. 4 för förklaring) Det är viktigt att både gängtoppen och gängbotten kommer mer i både den övre och nedre biten. Bitarna kapas ut i lagom stora längder så de får plats i maskinen ca 30 mm (2.1). Sedan bakades bitarna in i bakelit, processen är väldigt tidskrävande, det tar 11min per bit (2.2). Själva bakningen går till så att detaljen läggs i maskinen på en värmeplatta som är i ett rör och sedan häller man på bakelitpulver. Maskinen värmer och trycker ihop pulvret så det blir som en puck när den har svalnat med provbiten inuti. Bild 8 Bild 9 Bild 10 33

Följande steg blir våtslipning i den automatiska slipmaskinen följt av polering (2.3 och 2.4). Maskinen är helt automatiskt, det manuella är att välja steg (finns tre slip/poleringssteg) applicera bitarna i fixturen och trycka på startknappen. Maskinen väljer själv vilken vätska och tid som ska användas beroende på vilket steg den är inställd på. Processtiden för alla tre stegen är sammanlagt 10 min, går betydligt fortare än bakningen eftersom 6 bitar tar 10 min plus lite tid får att byta skiva mellan stegen. Det som skiljer de olika stegen åt i slipningen är vilken slipskiva som används. Börjar med en grov och sedan en finare och slutar med polering med poleringsskiva. Efter poleringen är det mätning. Slipningen och poleringen följer samma mönster som spår ett, enda skillnaden är att det är en annan maskin. Bild 11 När mätningen är färdig så är det dags för etsning för att se okulärt hur härdningen ser ut i mätzonen. Etsningen sker enligt spår ett. Mätning/labb När bitarna är blanka och fina utan några större repor som kan störa mätningen så använde vi oss av Vickersmätmaskinen, den är helt automatisk under mätproceduren vilket minimerar den mänskliga faktorn. Vi mätte med HV 5 och enligt vissa koordinater mellan 0,2-4mm inåt från ytan(2.5). Bild 12 Innan nästa steg inom mätningen sker mer bearbetning. Nästa process som behandlar mätningen är 2.7 avläsning. Avläsningen av hur härdprofilen ser ut etsad. Det vi tittar efter är hur mätprofilen ligger i förhållande till hur etsningen ser ut, dvs. strukturförändringen. Om det är tveksamma mätresultat från hårdhetsmätningen så får man oftast förklaringen vid okulär bedömning av härdjupet, oftast hade vi mätt där det är dåligt härddjup. 34

Spår tre Spår tre är strukturavläsning med mikroskop. Provbitarna bereds enligt spår två med undantaget att avläsningen sker på tvärsnittet, dvs. de kapas annorlunda. Beredning Kapningen planerades mycket noga eftersom ytan som vi kapar är den som vi använder att titta på. Kapsnittet måste passas in perfekt in i härdprofilen. Kapningen gjordes på lilla kapen som ger mycket fina snitt, även den är utrustad med kylvatten för att undvika bränningar. Ju noggrannare man är vid förberedelsen desto mindre tid behöver man lägga ner på slipningen. Nästa steg är våtslipning följt av polering i två steg enligt steg ett. 3.3 och 3.4. slipning/polering är densamma som i spår två. När avläsningen är klar i första skedet så etsas ytan med Nital enligt spår ett. Efter etsningen fortsätter avläsningen. Det är extra viktigt att ytan är fri från beläggningar när strukturläsningen sker. I 1000ggr förstoring är även den minsta partikeln skymmande. Bild 13 Mätning/labb Mätningen går till så att man kollar i mikroskopet och tittar efter vissa saker som är karakteristiska för om det har blivit en fullständig omvandling. Strukturer som man tittar på innan etsning är det först och främst oxidation men även slagg i stålet som inte syns efter etsningen. När vi har kollat igenom och dokumenterat ytan ordentligt är det dags för etsning. Tack vare etsningen ser man strukturen på stålet. 35

Analys Här kommer vi gå igenom vårt resultat vi fått från empirin och koppla det mot teorin. Hårdhet och härddjup Hårdheten och härddjupet är beroende på effekttäthet och matningshastighet vid laserhärdning. Vi fick således olika hårdheter och härddjup beroende på vilken körning vi mätte. Det var även skillnad på hårdhet och härddjup beroende om vi mätte där första härdvändan varit resp. andra härdvändan. Vad kunde det bero på? Troligtvis beror det på att en viss värme sprider sig vidare i materialet vid uppvärmningen och att kylningsprocessen jämnade ut temperaturen på ytan. Det ligger således en restvärme kvar när andra härdvändan kommer. Vid andra vändan får stålet en högre temperatur eftersom varmt stål har högre absorberingsgrad när det är varmt plus att den redan är uppvärmd till ungefär 150-200 C. Det var en väldigt stor skillnad på samtliga körning när man undersöker på förstaresp. andra vändan. Ythårdhet på 50 HRC som var ett av målen vid laserhärdningen är i princip inte uppnått vid någon av de första härdvändorna med undantag för någon med väldigt hög effekt exempelvis körning 6. Detta innebär alltså att man inte kan köra med samma effekt och samma hastighet vid båda vändorna om man vill ha samma hårdhet och härddjup vid båda vändorna. Struktur Som förklarat i ovanstående stycke skiljer sig temperatur i stålet mellan vändorna. Detta har resulterat i ytsmältning vid många av körningarna. Vid ytsmältning får man en oönskad deformation av gängan, den är således inte ändamålsenlig om ytsmältning uppstår. bild 14 På bild 14 syns provbit nummer 1 som kördes med en effekt på 2500W och en hastighet på 0,5m/min. Det syns tydligt på bilden att gängan har smält. En annan intressant sak vi märkte när vi gjorde strukturanalysen var att det fanns zoner i stålet. Vad detta beror på är oklart, det ser ut som strukturen varierar beroende på vilket djup vi går in på. Det borde egentligen bara vara ett härddjup med samma struktur sen en övergångszon och till sist kärnan. I nedanstående bild syns de olika zonerna tydligt. Det ser ut som om det skulle vara varmare en bit in i materialet men det är oklart om det är så. En annan teori är att etsningen har tagit olika och därför gett dessa zoner. 36