EXAMENSARBETE Studier av varmöverföringsprocessen för verktygsstålet H13 Johan Jensen 2015 Högskoleexamen Bergsskoletekniker metall- och verkstadsindustri Luleå tekniska universitet Institutionen för teknikvetenskap och matematik
Studie av varmöverföringsprocessen för verktygsstålet H13 Examensarbete Processutveckling B0009T 2014
EXAMENSARBETE Grundnivå 2 Metall- och Verkstadsindustri Program Reg nr Omfattning Metall- och Verkstadsindustri 120 hp B0009T 7.5 hp Namn Datum Johan Jensen 2014-05-26 Handledare Examinator Jörgen Andersson Företag/Institution Jörgen Andersson Kontaktperson vid företaget/institutionen Uddeholms AB Rikard Robertsson Titel Studie av varmöverföringsprocessen för verktygsstålet H13 Nyckelord Termisk mätning, varmsprickor, fasomvandling, temperaturgradient Sammanfattning: Syftet med detta examensarbete var att utvärdera vilka parametrar som kan gynna sprickbildningen på H13 så man kan minska antalet sprickor och få en minskad kassation av material. Följande slutsatser från arbetet kan dras: En dålig kapyta verkar gynna sprickbildningen och det är då viktigt att defekter avlägsnas i varmkapen. Materialet är inte känsligt för att bli kallt förutsatt att det inte finns några defekter i form av dålig yta eller rester från pipe. Materialets position förhållande till varandra i rexet påverkar temperaturskillnaden i mitt och ände som ökar risken för sprickbildning. 1
DEGREE PROJECT Metal and Engineering technology Programme Reg number Scope Metal and Engineering technology, 120 hp B0009T 7.5 hp Name Date Johan Jensen 2014-05-26 Supervisor Examiner Jörgen Andersson Jörgen Andersson Company/Institution Supervisor at the company/institution Uddeholms AB Rikard Robertsson Titel Study of the hot transfer process used for the tool steel H13 Key words Thermal measuring, hot cracking, phase transformation, temperature gradient Summary: The aim of this thesis work was to evaluate which parameters that facilitate the crack formation on H13 during/after hot working in order to reduce the production loss of material. The following conclusions can be drawn from the work: A rough cutting surface seems to facilitate the crack formation and it is therefore important that such defects are removed during hot cutting. The material is not sensitive to lower temperatures under condition that there are no defects such as rough surface or residual pipe. The placement of the bars in respect to each other influence the temperature differences between center and bar end, increasing the risk of cracking. 2
Sammanfattning Klenare dimensioner än 360mm av H13 varmöverförs idag från smidet till mjukglödgning, vilket troligen är orsaken till att sprickor uppstår i materialet stundvis. Detta leder till kassation samt sämre utbyte, vilket gör att en optimering av varmöverföringen är nödvändig. Materialet har ett temperaturintervall runt Mf som det då bör befinna sig i innan det ska mjukglödgas för att minska risken för sprickor. Detta temperaturintervall underskrids ibland beroende på att ugnskapaciteten kan vara otillräcklig när en stor mängd material produceras i ett kort tidsintervall. Sprickbildningen i materialet gynnas av en dålig kapyta, där ojämnheter i ytan agerar brottanvisningar som låter spänningar i materialet resultera i en spricka. Sprickor kan uppstå trots materialet är inom godkänt temperaturområde, vilket kan bero på smidesdefekter som inte blivit bortkapade. Materialet är inte heller känsligt för att bli kallt bara en bra kapyta finns och gör varmkapningen till en viktig faktor till minskad sprickbildning. En stor temperaturskillnad mellan ände och mitt skapar större spänningar i materialet. Jämn svalning i hela materialet bör eftersträvas för att minska spänningar och materialets position i rexet har en betydande effekt för detta. 3
Innehållsförteckning 1 Inledning... 6 1.1 Om företaget... 6 1.2 Bakgrund... 7 1.3 Syfte... 7 1.4 Problemformulering... 7 1.5 Avgränsningar... 7 1.6 Målgrupp... 7 2 Litteraturstudie... 8 2.1 Mjukglödning... 8 2.2 Härdsprickor... 8 2.3 Fasdiagram... 9 2.4 Smide... 11 2.5 H13... Error! Bookmark not defined. 3 Metod... 14 3.1 Produktionsflödet.... 14 3.2 Genomförande... 15 4 Resultat... Error! Bookmark not defined. 4.1 Tempraturkurvor och uppföljning... Error! Bookmark not defined. 4.2 Kassationsuppföljning... Error! Bookmark not defined. 4.3 Provbit som fick svalna... Error! Bookmark not defined. 4.4 Stickkontroll av material... Error! Bookmark not defined. 5 Diskussion... Error! Bookmark not defined. 6 Slutsatser... Error! Bookmark not defined. 7 Fortsatt arbete... Error! Bookmark not defined. 4
8 Referenser... Error! Bookmark not defined. 5
1 Inledning Examensarbetet är utfört vid Uddeholms AB på avdelning Processutveckling. Uppgiften var att optimera varmöverföringen av H13. Uddeholms AB är en internationellt stor tillverkare av verktygsstål med produktion i Hagfors. Företaget ingick 1991 i den Österrikiska Böhler- Uddeholm koncernen och sedan 2007 är Uddeholms AB en del av Voestalpine-koncernen. 1.1 Om företaget År 1873 startade byggnationsprojektet av Hagfors järnverk och 5 år senare startades tillverkningen av järn i de nya ugnarna. Efter sekel av stadig produktion kom det österrikiska företaget Böhler in i bilden då de köpte upp Uddeholmskoncernen och bildade den nya koncernen Böhler-Uddeholm. Företagets köptes upp igen 2007 av ännu ett Österrikiskt företag, Voestalpine Stahl, som för närvarande är ägare. Idag är Uddeholms AB en världsledande leverantör och tillverkare av verktygsstål. Med lång erfarenhet av forskning och kontinuerlig utveckling av nya produkter är företaget väl förberett att möta framtidens krav på materialutveckling, funktioner och tillgänglighet. Det är en tuff utmaning, men affärsvisionen är tydlig: - Att vara bästa affärspartner och förstahandsleverantör för verktygstillverkare, verktygsmakare och i sin tur deras kunder. Majoriteten av produkterna exporteras till kunder i över 100 länder. Inom vissa marknader representeras Uddeholm av ASSAB, som är ett helägt dotterbolag och exklusiv säljkanal. Böhler-Uddeholm, ägt av Voestalpine har delat upp sina affärsområden i fyra olika delar i den så kallade BUAG-gruppen: Voelstalpine BUAG-gruppen Steel Division Special Steel Division Metal Engineering Division Metal Forming Division Uddeholm Figur 1. Voestalpine företagsorientering 6
1.2 Bakgrund Uddeholms H13, diameter 130-360 mm, varmöverförs idag direkt från smide till värmebehandlingen för en mjukglödgning. Materialet skall ha en inläggningstemperatur i mjukglödningsugnen omkring Mf. Materialets rekommenderade temperaturer kan ibland underskridas beroende på begräsningar i ungskapaciteten eller transportförseningar. Om materialet underskrider den rekommenderade inläggningstemperaturen riskerar man att materialet kan få defekter som ändsprickor eller härdsprickor, vilket kan leda till extraoperationer t.ex. kapning och därmed skapa förseningar samt sämre utbyten. Grövre dimensioner än 360mm etappglödgas efter smide så att man kan kallägga materialet innan mjukglödgningen. Alternativet till varmöverföring, som vanligtvis används vid klenare dimensioner, är etappglödgning, vilket förlänger genomloppstiden samt är mer energikrävande. 1.3 Syfte Att utvärdera vilka parametrar som kan gynna sprickbildningen och åtgärda dessa och därmed få en minskad kassaktion av materialet. 1.4 Problemformulering Hur påverkas sprickbildningen av temperatur-/svalningskurvan, inläggningstemperaturen och dåliga ändar på grund av kantdefekter och kvarvarande boxmaterial? 1.5 Avgränsningar Rapporten kommer innehålla en utvärdering av temperatursvalningskurvan, inläggningstemperaturen och materialundersökningar, eventuellt om material spricker. Vidare kommer effekten av kvarvarande boxmaterial att studeras och frågan huruvida dessa är parametrar som gynnar sprickbildningen på H13 kommer att utredas. 1.6 Målgrupp Målgruppen till denna rapport är begränsad till de som har förkunskap kring materialteknik med inriktning metalliska material. 7
2 Litteraturstudie 2.1 Mjukglödning Avsikten med mjukglödgning är att göra stålet mjukt. Främst mjukglödgas kolstål med högre kolhalt, som skall bearbetas med skärande verktyg före härdning. Stål med lägre kolhalt som låts svalna i luft efter varmvalsning har i regel en tillräckligt god skärbarhet. Mjukglödgning av undereutektoida stål sker genom en lång, ca 14-25 timmar, värmebehandling under A1, där hålltiden vid temperatur är ca 2 timmar efter materialet är genomvarmt som följs av en långsam svalning 20 C/h till 850 C, därefter 10 C/h till 740 C. Utgångsstrukturen är ferrit och perlit, och perlitens hårdhet minskar under värmebehandlingen på grund av att dess cementitlameller sfäroidiseras och de uppkomna cementitpartiklarna förgrovas genom koalescens. Ju grövre partiklar, ju lägre hårdhet. Övertektoidiska stål som låts svalna naturligt efter varmvalsning, består av proeutektoid cementit och perlit. Den proeutektoida cementitien kan ligga som ett relativt grovt närverk i korngränserna. Om så är fallet bör man påverka nätverkets form. En värmebehandling under A1 är inte tillräckligt effektiv, så därför hålls materialet över A1 och tvingas svalna långsamt genom A1-temperaturen varvid austenitens omvandling till perlit resulterar i en ferritisk grundmassa med runda cementitpartiklar. Denna struktur har de önskvärda egenskaperna utan vidare värmebehandling. Orsaken att perlitomvandlingen inte ger lamellär perlit är att austeniten redan innehåller en mängd små cementitpartiklar. 1 Den hårdhet som erhålls efter mjukglödgning är beroende av stålsort, och ligger runt HB 170-300. Även temperaturen för mjukglödgning är beroende på stålsort, men ligger normalt runt 700-900 C. Mjukglödgningen utförs oftast i en ugn med skyddsgas eller i en vakuumugn. Den totala behandlingstiden är ca 14-25 timmar. 2 2.2 Härdsprickor Under kylförloppet vid härdning så uppstår spänningar som kan ge upphov till sprickor. Detta beror på att materialets yta och centrum svalnar olika fort. Principen för spänningsuppbyggnad vid genomhärdning är att materialet kyls fortast i ytan så att det först uppstår dragspänningar i ytskiktet och tryckspänningar i centrum, men eftersom materialet fortfarande befinner sig i austenitiskt tillstånd så är segheten god. När materialets yta når Ms så omvandlas det till en martensitisk struktur och den har en större volym så att nu uppstår 8
tryckspänningar i ytan och dragspänningar i centrum. Då temperaturen fortfarande är relativt hög så kan martensiten i ytan plasticeras, tryckas ihop. När temperaturen i kärnmaterialet också nått Ms ökar även detta i volym så uppstår dragspänningar i det deformerade ytskiktet och tryckspänningar i centrum. Dessa spänningar kan vara så höga så att det resulterar i att materialet spricker, oftast i längsgående sprickor. Risken för sprickor av detta slag ökar med ökad dimension och ökad kylningshastighet. Desto högre härdbarhet ett stål har desto mildare kylmedel bör man använda om man vill undvika härdsprickor i genomhärdade stål. För varje stålsort finns det två dimensionsområden som är mest kritiska för sprickor vid härdning. 3 Den ena och även den vanligaste avser den största dimensionen som stålet genomhärdar, varvid dragspänningar som överstiger materialets hållfasthet kan komma upp i ytan. Sprickor av denna typ gynnas av anvisningar i ytan och av hög kylningsintensitet. Den andra kritiska dimensionen avser sprickor som utgår ifrån centrum, när tillräckligt höga tryckspänningar uppkommit i ytan och skapat för stora dragspänningar i centrum. Även denna typ av sprickor gynnas av felaktigheter, då i stålets centrum men även en hög kylningsintensitet. En anlöpning direkt efter härdning minskar risken för sprickor avsevärt och kan då vara ett bra alternativ. 4 2.3 Fasdiagram TTT-diagram Ett ståls omvandlingar i konstant temperatur kan visas i ett TTT-diagram, se figur 2, där omvandlingen är en funktion av temperaturen och tiden. De tre T-na står för Temperature, Time och Transformation. När man ska tillverka ett TTT-diagram så värms ett antal prover av stålet till austenitområdet eller austenit-cementitområdet. Sedan så kyls proverna i en dilatometer till olika omvandlingstemperaturer och där hålls dom en viss tid. Vid omvandlingen sker längdändringar hos provet som registreras av dilatometern. Avläsningen i dilatometer ger tidpunkten för omvandlingens start och slut vid respektive provningstemperatur. Dessa data sammanställs i ett TTT-diagram. TTT-diagrammen används i praktiken för bedömning av tider och temperaturer vid etappglödgning, etapphärdning och bainithärdning. Det ger även en idè om ett ståls härdbarhet. 5 9
Figur 2. Diagrammet visar ett typiskt TTT-diagram. TTT-diagramet har som tidigare nämnt en temperatur och en tidsaxel. Av praktiska skäl har tidsaxeln en logaritmisk skala. TTT-diagramet har två kurvor och den längst till vänster anger tiden för begynnande omvandling och den högra för fullständig omvandling. I det högre temperaturområdet kallas den erhållna fasen perlit, och i det lägre bainit. Nedtill åt vänster i TTT-diagrammet i figur 2, finns en vågrät linje som betecknas Ms, och denna linje anger temperaturen för den begynnande martensitomvandling vid härdning. TTT-diagrammets utseende påverkas av stålets legeringshalt. Desto högre legeringshalt desto mer skjuts bainitnosarna åt höger, d v s mot längre tid. Stålet blir mer omvandlingströgt och det får en bättre härdbarhet. 6 CCT-diagram CCT står för Continuous Cooling Transformation, vilket betyder omvandling vid kontinuerlig kylning. CCT-diagram, se figur 3, kompletterar TTT-diagramen, och det är CCT-diagrammen som har störst användning vid värmebehandlingen av stål. 7 Dessa diagram används för att representera vilka typer av fasomvandlingar som kommer att ske i ett material som kyls med olika hastighet. Dessa diagram är ofta mer användbar än TTT- 10
diagram eftersom det är mer vanligt vid värmebehandling att kyla material i en viss hastighet, släckhastighet, än att kyla snabbt och hålla vid en viss temperatur. Det sist nämnda används vid bainithärdning. Villkoret för en fullständig härdning är att varken bainitbildning eller perlitbildning. För att få en fullständig härdning ska ske måste svalningskurvan passerar till vänster om perlit- och bainitkurvorna så den träffar Ms-linjen först. 8 Figur 3. Visar ett typiskt CCT-diagram. 2.4 Smide Smide är en bearbetningsprocess där man genom tryck och slag bearbetar ett metallstycke plastiskt. Man formförändrar alltså materialet. Innan smide måste materialet värmas upp i en ugn till rätt smidestemperatur så materialet blir mjukt och formbart, om inte kallsmide skall utföras. Förutom att formförändra ämnet så är syftet med smidning att bryta ner och rekristallisera gjutstrukturen så man får bättre mekaniska egenskaper i stålet. 11
2.5 H13 Uddeholm H13 är ett varmarbetsstål som genom avancerad processteknik får hög renhet och homogenitet. H13 rekommenderas vid strängpressning av aluminium, i de tre delar som kommer i direkt kontakt med dess heta aluminiumämnen d v s matris, innerrör och bakplugg. Men H13fungerar även utmärkt som verktygsmaterial för plastbearbetning och som konstruktionsmaterial. Leveranstillståndet är mjukglödgat och hårdheten vid leverans ca 185HB. Det vanadinlegerade varmarbetsstålet H13 har följande egenskaper: - God nötningsbeständighet - God hållfasthet - God seghet och duktilitet - God bearbetbarhet och polerbarhet - Goda genomhärdningsegenskaper - God måttbeständighet Kemisk sammansättning: Tabell 1. Tabellen visar H13 kemsiska sammansättning. C Si Mn P S Cr Ni Mo W V (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) Riktvärde 0,39 1,0 0,4 - - 5,3-1,3-0,3 12
Uddeholms CCT-diagram för H13 Figur 4. Figuren visar ett CCT-diagram för H13. 13
3 Metod 3.1 Produktionsflödet. För att få en ökad förståelse för hur materialet, som undersöks, hanteras och vilken process det går igenom så beskrivs materialflödet från smidet till mjukglödgningen i ordningsföljd med följande underrubriker: Smide Ett uppvärmt göt, som tidigare värms i en ugn, smids i ca 1250 C med hjälp av en hydraulisk press. Varje göt tar ca 20min att smida beroende på operatörens arbetstakt samt den önskade dimensionen på produkten, se figur 5. Väl färdigsmitt läggs materialet åt sidan i väntan på transport till varmkapningen. Figur 5. Bilden visar ett nästan färdigsmitt göt av stålsorten H13. Varmkapning Här kapas det färdigsmidda materialet och märks. Materialet kapas vid en hög temperatur, ca 1000 C. Toppen och botten på materialet kapas bort pga. defekter och boxmaterial, och vid behov kapas materialet i hanterbara längder. Märkningen innebär att ett färdigsmitt göt delas in i en topp samt en botten och om man exempelvis kapar det färdigsmidda götet i tre delar märks de tre materialen som toppen, mitten och botten, beroende på vilken del av götet materialet består av. Verksyn Innan materialet lämnar pressen märks det med ordernummer och läggs ordervis i 14
transporterbara materialställningar som även kallas rex, i vilka materialet ska ligga tills inläggning i ugn. Materialet vägs sedan för att transporteras till värmebehandlingen. Transport Materialet transporteras med hjälp av en truck från pressen till värmebehandlingen. Svalning Materialet svalnar i luft tills önskad temperatur har uppnåtts. Materialet kontrolleras av operatörerna med hjälp av en pyrometer så materialet inte underskrider den godkända temperatur-toleransen. Inläggning i rullbottenugn När materialet börjar närma sig den godkända inläggningstemperaturen beställs materialet in till planerad ugn. På rullbottenugnen, se figur 6, lägger man materialet på rullar som har hastighet från 1 2m/h genom ugnen, vilket styrs av dimension. Beroende på rullarnas låga transporthastighet skiljer sig inläggningstemp på ändarna. Figur 6. Bilden illustrerar hur materialet transporteras på rullbottenugnen in i ugn 34 i värmebehandlingen. 3.2 Genomförande Metoden omfattar att med hjälp av värmekamera och pyrometer följa temperaturen hos materialet H13 från färdigsmidet ner till inläggningstemperatur i mjukglödgningsugn. Strax efter smide sker märkning av toppen på götet efter varmkapning. Visuell spricksyning sker kontinuerligt vid uppföljning av materialet. Efter mjukglödgningen kommer materialet undersökas för att upptäcka eventuella defekter. Tester kommer göras så material utsätts medvetet för ett onormalt produktionsflöde. 15
Värmekamera Materialets svalning under försöket skall redovisas med hjälp av en värmekamera. Bilder skall tas varje timme på materialet från slutsmide till inläggningstemperatur. För att få en uppfattning av variation och bättre förståelse av svalningen kommer temperaturen följas på fler order så temperaturkurvorna kan jämföras med varandra. Därmed förbättras statistiken och möjligheterna att dra flera slutsatser ökar. Värmekameran som används är från Flir Systems och modell ThermaCAM S65, se figur 7. Figur 7. Bilden visar värmekameran som använts. Pyrometer För att få en jämförelse med värmekamerans resultat kommer materialet även följas till viss del med hjälp av en Pyrometer. Detta är främst för att kunna säkerställa att värmekameran ger rätt resultat, så korrekta slutsatser kan dras. Vissa order mäts temperaturen med pyrometer varje timme, samtidigt som värmekameran, då materialet är under 650 C. Pyrometern som används kan inte mäta temperaturer över 650 C. Temperaturen mäts med pyrometern vinkelrätt 2 meter från materialet, och mätning sker både i änden och på mitten på materialet. Mätningen sker på samma punkter varje mätning. En order innefattar oftast flera stänger och det gör att man väljer ut t.ex. den längsta och kortaste stängen och mäter temperaturen på 16
endast dem. Pyrometern som används är en kalibrerad Fluke 62 max+, se figur 8. Figur 8. Bilden visar Pyrometern som användes samt dess laserstrålar som bildas vid knapptrycket. Märkning Märkningen görs med hjälp av en krita efter varmkapningen. Anledning är att kunna hänvisa en spricka till götets olika delar. Märkningen går till så att götet topp, botten och eventuell mitt märks. Provbit som får svalna H13 har som tidigare nämnts ett temperaturintervall som måste hållas när den ska in i mjukglödgningsugnen. Toppen av ett färdigsmitt göt kapas i varmkapen som sedan läggs i ett eget rex. Rexet får transporteras tillsammans på samma sätt som de övriga rexen. Materialet tillåts svalna till rumstemperatur så inläggningstemperaturen blir långt under gränsen för det godkända temperaturintervallet, och därmed kan inverkan av en mycket låg inläggningstemperatur på sprickrisken studeras. När materialet väl är i rumstemperatur sker en mjukglödgning. Alltså får provbiten av H13 gå en vanlig produktionsprocess förutom att den ska ned till rumstemperatur innan mjukglödgning. 17
Kassationsuppföljning Om det upptäcks sprickor efter mjukglödning på material som följts upp med avseende på varmöverföring så kommer fortsatta undersökningar att utföras för att finna orsaken till sprickorna. Utifrån en eventuell kassation kan slutsatser dras emellan tidigare ihopsamlad data och defekter som ledde till kassation efter inläggning i ugn. 18
4 Resultat 4.1 Temperaturkurvor och uppföljning Datainsamlingen från värmekameran och pyrometern redovisas i ett tid- och temperaturdiagram där x-axeln representerar timmar efter slutsmide och y-axeln antal grader Celsius. Resultaten redovisas ordervis; vissa med tillhörande pyrometerdiagram. Dessa värmekamera-diagram har komplett svalningskurva från slutsmide till inläggningstemperatur på rullbottenugn, utom diagrammen med Order nr: 4600636-10-02 som ej har de sista timmarna till inläggning på rullbottenugnen. Även en värmekamerabild kommer att redovisas till order nr: 4600371-06-01. 19
Order nr Diameter (mm) Antal stänger i rexet 4600374-08-01 367 1 Kommentar: Av denna togs en 1m provbit som fick svalna till rumstemperatur Värmekamera-diagram Temperatur, ºC 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Tid efter smide, h Materialets ände Materialets mitt Figur 9. Diagrammet visar temperatursvalningskurvan med data insamlat med hjälp av värmekamera. Pyrometer-diagram 400 350 300 Temeratur, ºC 250 200 150 100 50 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tid efter smide, h Materialets ände Materialets mitt Figur 10. Diagrammet visar temperatursvalningskurvan med data insamlat med hjälp pyrometer. 20
Order nr Diameter (mm) Antal stänger i rexet 4600371-06-01 331 4 Kommentar: Första tempratur-uppföljningen. Ej något pyrometer-diagram. Värmekamera-diagram 900 800 700 Temperatur, ºC 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tid efter smide, h Materialets ände Materialets mitt Figur 11. Diagrammet visar temperatursvalningskurvan med data insamlat med hjälp av värmekamera. Temparaturskillnaden i materialet redovisas tydlig i ir-bilden nedan som är tagen då materialet stod i rexet på kylning. Figur 12. En ir-bild tagen med värmekamera då order: 4600371-06-01 ligger i rex. 21
Order nr Diameter (mm) Antal stänger i rexet 4600901-01-01 136 2 Kommentar: Utsattes för regn under svalning och resulterade i något snabbare kylning Värmekamera-diagram Temperatur, ºC 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 Tid efter smide, h Materialets ände Materialets mitt Figur 13. Diagrammet visar temperatursvalningskurvan med data insamlat med hjälp av värmekamera. Pyrometer-diagram Temperatur, C 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 1 2 3 4 5 Tid efter smide, h Materialets ände Materialets mitt Figur 14. Diagrammet visar temperatursvalningskurvan med data insamlat med hjälp pyrometer. 22
Order nr Diameter (mm) Antal stänger i rexet 4600901-02-01 157 2 Kommentar: Utsattes för regn och skapade då en snabbare kylning Värmekamera-diagram Temperatur, ºC 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 Tid efter smide, h Materialets ände Materialets mitt Figur 15. Diagrammet visar temperatursvalningskurvan med data insamlat med hjälp av värmekamera. Pyrometer-diagram 400 350 Temperatur, ºC 300 250 200 150 100 Materialets ände materialets mitt 50 0 0 1 2 3 4 5 Tid efter smide, h Figur 16. Diagrammet visar temperatursvalningskurvan med data insamlat med hjälp pyrometer. 23
Order nr Diameter (mm) Antal stänger i rexet 4600636-10-02 350 3 Kommentar: Ej uppföljt tills inläggningstemp. Ett långt material vilade på två ca hälften så korta material i rexet Värmekamera-diagram Temperatur, ºC 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tid efter smide, h Långa materialets ände Långa materialets mitt Korta materialets ände Korta materialets mitt Figur 17. Diagrammet visar temperatursvalningskurvan med data insamlat med hjälp av värmekamera. Pyormeter-diagram Temperatur, ºC 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tid efter smide, h Långa materialets ände Långa meterialets mitt Korta materialets ände Korta Materialets mitt Figur 18. Diagrammet visar temperatursvalningskurvan med data insamlat med hjälp pyrometer. 24
4.2 Kassationsuppföljning Kassationsuppföljning har gjorts på alla order som har undersökts och fått svalningskurvor. De defekter som ledde till kassaktion hittades någon gång efter inläggning i rullbottenugn. Inget material som följdes upp hade några synliga defekter under varmöverföringen. Nedanför i tabell 2 redovisas informationen både om kassaktion samt order. Tabell 2. Redovisar kassationsuppföljningen på de undersökta orderna. Stålsortnamn Tillverkningsorder Bredd / diameter (mm) Tjocklek / innerdiameter Göttyp (mm) Intaget, sum (kg) Erhållet, sum (kg) Utbyte (%) Kassation, sum (kg) Felorsak H13 460037408012014 330,0 0,0 87 5685 3168 55,7 89 H13 460063610022014 330,0 0,0 87 11371 7390 65,0 370 H13 460037106012014 305,0 0,0 87 11645 7760 66,6 393 H13 460090101012014 120,0 0,0 50 1963 894 45,5 213 H13 460090102012014 140,0 0,0 50 1963 1204 61,3 34 Klacken med renkap, rundstång Klacken med renkap, rundstång Klacken med renkap, rundstång Längsgående sprickor, korta Dimensionfel - diameter eller tjocklek 4.3 Inverkan av för låg temperatur En stång H13 med längden en meter och diametern 356mm kapades ur order nr: 4600374-08- 01 i varmkapen. Ett extra renkap på 100 mm gjordes för att säkerställa att materialet var felfritt. Materialets båda kapade ändar var släta och jämna, ingen synlig brottanvisning som skulle gynna sprickbildningen fanns inte. Det hittades inga synliga sprickor eller defekter under uppföljningen som gjordes en gång i timmen hela vägen från kapning fram till materialet nådde rumstemperatur. Då materialet väl var i rumstemperatur mjukglödgades det och efter värmebehandlingen undersöktes materialet med avseende på sprickor eller defekter som skulle kunna leda till kassation. Inga sprickor eller andra defekter hittades. Materialet har inte påverkats av att det varit i rumstemperatur innan mjukglödgningen. En observation som gjordes senare var att renkapet på 100mm var spräckt. På provbiten fanns en ytspricka redan innan varmkapning, troligtvis var det initiering till fortsatt spricktillväxt. 25
Figur 19. Bilden ovan visar de kapade bitarna på 1000 mm och 100 mm, där den sist nämnda biten har spruckit och är nere vid rumstemperatur medan den större 1000 mm biten fortfarande svalnar ned mot rumstemperatur. 4.4 Stickkontroll av material Av en slump upptäcktes en stång med sprickor. Sprickorna hittades under tiden materialet stod på svalning utanför värmebehandlingen och växte enbart längst med materialet med ca ett par centimeter fram till inläggningstemperatur från observationen gjordes. Materialets diameter var 220 mm och det fanns inte någon synlig pipe. Tempraturen på det defekta materialet mättes vid observationen med en pyrometer och sedan varje timme till inläggning på rullbottenugn. Mätningen redovisas i diagrammet i figur 20 nedanför där x-axeln representerar timmar efter hittad spricka och y-axeln grader Celsius. 250 200 Temperatur, ºC 150 100 50 Materialets mitt Materialets ände 0 0 1 2 3 Tid efter upphittad spricka, h Figur 20. Diagramet visar temperatursvalningen från att det spruckna materialet hittades till inläggningstemperatur. 26
Figur 21. Bilden visar sprickorna på stången. 5 Diskussion H13 är ett höglegerat stål, vilket betyder att Bainit- och Perlitnosarna i CCT-diagramet är relativt långt förskjutna till höger. Detta betyder att materialet omvandlas till martensit vid luftsvalning. M S -temperaturen är ca 320 C. Desto mer materialet hinner svalna desto större mängd martensit bildas. Martensiten ökar risken för härdsprickor. Det borde vara så att en låg inläggningstemperatur skulle öka risken för sprickor. Ett längre material får en större temparaturskillnad mellan ände och mitt än ett kortare material, som vi ser i figur 17. Spänningar skapas då änden på materialet når Ms och omvandlas till martensit före mitten. Alltså borde en större stånglängd öka sprickrisken. Det 1000 mm långa provet som tilläts svalna ned till rumstemperatur innan mjukglödgning sprack inte, vilket var överraskande. Den låga temperaturen borde ha gett en omfattande martensitomvandling och stora spänningar i stången och därmed en stor risk för härdsprickor. En anledning att materialet klarade sig kan vara de fina kapkanter materialet hade på båda sidor som gjorde att materialet inte hade någon brottanvisning. Skivan på 100mm som observerades med en dålig kapkant, dvs. en djup brottanvisning i kanten. Där bildades en spricka som förmodligen inte hade uppstått om den hade haft fina kapkanter. Det defekta materialet som hittades vid en stickkontroll hade spruckit någon gång innan temperaturen mättes. Vid mätningen var temperaturen 150 C i änden och 220 C på mitten. Det godkända temperaturintervallet sträcker sig ned till 80 C och då har materialet redan 27
spruckit vid 150 C, vilket väcker flertalet funderingar. Troligtvis är det smidesdefekter som inte blivit bortkapade som är orsaken till att stängerna spruckit. Om man tittar på de värmekurvor som visats i rapporten ser man tydligt att materialet svalnar olika snabbt trots att dimensionen är snarlik på vissa order. Hur svalningskurvan ser ut har många parametrar som huvudsakligen är dimensionen som tidigare nämnts, men även när materialet transporteras till de olika stationerna då t.ex. ett material som mestadels får svalna utomhus får en brantare svalningskurva än ett som får svalna mestadels inomhus. Att inläggningstemperaturen skiftar är princip oundvikligt, men den går att få jämnare. Operatörerna mäter materialets temperatur med en pyrometer under svalningen för att få en uppfattning om när materialet ska läggas in i ugnen. Temperaturmätningen har inte någon standardiserad föreskrift för hur och var man mäter på materialet, vilket leder till att resultaten av mätningen kommer skilja beroende på vem som mäter. Stängernas position till förhållande till varandra är viktig för materialet håller värmen bättre när den har ytor kontakt med andra material. Långa och korta material är inte optimalt att låta svalna tillsammans då de korta värmer det långa materialets mitt men inte änden; det skapar en större temperaturskillnad mellan mitt och ände. Material av samma längd som lastas osymmetriskt ger kallare och varmare ändar som synd tydligt i figur 12, därmed är materiallastningen i rex en viktig faktor. 28
6 Slutsatser Syftet med detta examensarbete var att utvärdera vilka parametrar som kan gynna sprickbildningen på H13 så man kan minska antalet sprickor och få en minskad kassation av material. Följande slutsatser från arbetet kan dras: En dålig kapyta verkar gynna sprickbildningen och det är då viktigt att defekter avlägsnas i varmkapen. Materialet är inte känsligt för att bli kallt förutsatt att det inte finns några defekter i form av dålig yta eller rester från pipe. Materialets position förhållande till varandra i rexet påverkar temperaturskillnaden i mitt och ände som ökar risken för sprickbildning. En stor mängd som produceras på kort tid påverkar tiden de kommer in i rullbottenugn och då även inläggningstemperaturen. 29
7 Fortsatt arbete En varmhållningshuv skulle minska temperaturskillnaden mellan materialets mitt och ände och skulle låta den varma luften cirkulera kring materialet och ge en jämnare svalning i hela materialet. Operatörernas temperaturmätning under svalningen till rimlig inläggningstemperatur skulle kunna standardiseras. Alla operatörer som mäter temperaturen skulle kunna utföra mätningen en meter från änden av material, med två meter avstånd och vinkelrätt till förhållande till materialet. Denna mätstandard skulle ge operatörerna bättre mätresultat och oförändrad operationstid. Stora mängder material som går igenom i produktionsflödet samtidigt gör att ugnskapaciteten blir otillräcklig; detta bör undvikas. Man skulle kunna planera smidningen så att H13 smids varannan timme, vilket skulle göra materialet mer effektivt fördelat över processvägen. Ett annat alternativ skulle vara att låta vissa rex svalna under en huv så inte alla order når inläggningstemperatur samtidigt. Material som lastas i rex har inte någon symmetri till varandra (vilket betyder att stänger kan vara förskjutna i längdriktning förhållande till varandra) samt varierande längder. En lastning av materialen som ger symmetri och längdanpassning bör eftersträvas då temperaturskillnad i materialen minskar mellan mitt och ände. En noggrann syning vid varmkapen så att eventuella defekter verkligen kapas bort skulle göra att materialet risk för att spricka minskar då eventuella brottanvisningar reducerats. 30
8 Referenser 1 Materiallära II, 2.3 Värmebehandling av stål (KTH), Bergsskolan, 2014. 2 Materallära II, 2.4 Värmebehandlings guide, Bodycote, Bergsskolan, 2014. 3 K.E. Thelning,Stål och värmebehandling, Karlebo serien 16, Härdsprickor, 1992, 4 K.E. Thelning,Stål och värmebehandling, Karlebo serien 16, Restspänningar och genomhärdning av stål, 1992 5 Materiallära II, 1.3 Stemne Metallografi, 1.3 TTT-diagram, Bergsskolan, 2014. 6 Materiallära II, Stemne Metallografi, 1.3 TTT-diagram, Bergsskolan, 2014. 7 K.E. Theling, Stål och värmebehandling, Karlebo serien 16, 1.3 Tid-Temperatur- Omvandlingsdiagram, 1992, p 19-32. 8 Materiallära II, 1.2 Järn och stål(konstruktionsmaterial), Bergsskolan, 2014. 31