GJSF & GJSR: Förbättrad mekanik & produktionsekonomi

med lösningshärdade ferritiska segjärn

& lösningshärdade ausferritiska segjärn

Richard Larker M Sc Ph D DSc (Docent, Tekn Dr)

Forskningschef

Indexator Rototilt Systems AB

922 21 Vindeln

http://www.indexator.com/sv

http://www.linkedin.com/pub/richard-larker/25/ba1/234

Vem är Richard Larker? (1 [2])

• Född i Stockholm 1961 (numera 50+!)

• Gift med Katarina (44)

• Vi har två döttrar,

Olivia (13) & Cornelia (17)

• Vi älskar stora berg-och-dal-banor!

Här i SilverStar i Tyskland 2008,

Europas största bana (73 m hög, 130 km/h!)

Vindeln

Vem är Richard Larker? (2 [2])

• Forskningschef vid Indexator AB i Vindeln 1998–

• Civilingenjör M (1986), Teknologie Doktor (1992) & Docent (1998)

i Konstruktionsmaterial vid Luleå tekniska universitet

• Ordförande för VI-projektet 2006-2009, som utvecklade gjutgods i

lösningshärdade ferritiska och ausferritiska segjärn för lastvagnar,

hjullastare, bussar, grävmaskiner, kranar & skogsmaskiner

• Ordförande i svenska standardiseringskommittén SIS/TK 130 ”Gjutet järn och stål”

sedan 2008 + aktiv nominerad expert i CEN/TC 190 & ISO/TC 25

• Uppfinnare till två beviljade patent samt tre patentansökningar

• Innovationspristagare 2010 inom gjutgodsområdet från Silléns Innovationsfond

• Deltagare i HighT-projektet 2010-2013, som utvecklar gjutgods i

ausferritiska segjärn för lastvagnar, grävmaskiner & skogsmaskiner

Indexator är den världsledande tillverkaren av hydrauliska rotatorer (12.000 /år) för skogsbruk, styckegods & återvinning,

och av Rototilt® (>2.000 /år) för grävmaskiners flexibilitet

Sedan fissionen 2012-05-01 två familjeägda medelstora företag (Indexator Rotator Systems AB & Indexator Rototilt Systems AB);

total omsättning >440 MSEK; >220 anställda

Vad är Indexator?

Konkurrens-fördelar från material-kunskap:

1. Optimering av tillverkningsprocesser kan minimera vår TVK

2. Starkare material kan ge lättare konstruktioner som ökar kundernas produktivitet

och därmed ökar vår konkurrenskraft

Nuvarande huvudmaterial i våra produkter:

Rotatorer: Segjärn >1.300 ton/år (≈1% av 1% av global produktion!); konvertering pågår från ferrit-perlitiskt till Si-lösningshärdat

Rototilt: Röda rotorhus gjuts i lösningshärdat segjärn; svarta gränssnitt mot grävmaskinens arm och mot dess verktyg görs idag av svetsat stål (plåt + gjutet), vilket kan ersättas av ausferritiskt segjärn ”ADI”

WG Document Title Convenor Secretariat

1 EN 1559-1:1997 Founding - Technical conditions of delivery - Part

1: General

Germany /Tölke Germany

/DIN 1 EN 1559-3:1997

Founding - Technical conditions of delivery - Part

3: Additional requirements for iron castings

1 EN 1560:1997 Founding - Designation system for cast iron -

Material symbols and material numbers

5 EN 1561:1997 Founding - Grey cast irons Germany /Vierbaum

Germany

/DIN 5 prEN “GJV” Founding – Compacted graphite cast irons

6 EN 1562:1997/A1:2006 Founding - Malleable cast irons UK /Drywood UK/BSI

7 EN 1563:1997/A2:2005 Founding - Spheroidal graphite cast irons “DI” France /Godinot

France

/AFNOR 7 EN 1564:1997/A1:2006 Founding - Austempered ductile cast irons “ADI” Netherlands /Kikkert

7 prEN “SiMo” Founding – Silicon molybdenum alloyed

spheroidal graphite cast irons France /Regheere

8 EN 13835:2002/A1:2006 Founding - Austenitic cast irons UK /Fallon UK/BSI

8 EN 12513:2000 Founding - Abrasion resistant cast irons

11 EN 1369:1996 Founding - Magnetic particle inspection

France /Lietveaux France

/AFNOR

11 EN 1370:1996 Founding - Surface roughness inspection by

visual tactile comparators

11 EN 1371-1:1997

Founding - Liquid penetrant inspection - Part 1:

Sand, gravity die and low pressure die castings

11 EN 12454:1998 Founding - Visual examination of surface discontinuities -

Steel sand castings

Reviderade EN-standarder för gjutgods:

Starkt svenskt engagemang i blåmarkerade standarder från följande deltagare i SIS/TK 130 ”Gjutet järn och stål”: Richard Larker (ordf. i TK 130) Indexator; Kenneth Åsvik Volvo CE; Ulla Boman Volvo Powertrain; Ulf Backmark ITT (Flygt)

Nytt system för materialnummer i EN 1560:2011:

Materialnummer baseras nu på strukturen i EN 10027-2 ”Werkstoff-nummer”,

men inledd med siffran ”5.”, följd av ”grafit + matris + två löpnummer”:

Vid alternativ beteckning med Materialnamn (”symbols”) kan ”GJ” samt ”S” (vid segjärn)

följas av ”F” (helferritisk) eller ”R” (ausferritisk), således GJSF respektive GJSR

Förbättringar (många från ISO 1083:2004) i EN 1563:2012:

Förbättringar i EN 1563:2012 (forts.)

Ett paradigmskifte, det största som hänt segjärnet sedan 1949!

Förbättringar i EN 1563:2012 (forts.)

Första generationens ferrit-perlitiska ”segjärnsfamilj”:

Konventionella ferrit-perlitiska segjärn (”1G DI”) uppvisar stora egenskapsvariationer

orsakade av varierande perlithalt (p.g.a. variationer i kylhastighet & legeringshalter):

GJS-400-18:

95% ferrit 5% perlit

GJS-500-7:

50% ferrit 50% perlit

GJS-700-2:

5% ferrit 95% perlit

H = 155 ±25 HBW

R p0.2 ≥ 250 MPa

R m ≥ 400 MPa

A 5 ≥ 18%

H = 200 ±30 HBW

R p0.2 ≥ 320 MPa

R m ≥ 500 MPa

A 5 ≥ 7%

H = 265 ±40 HBW

R p0.2 ≥ 420 MPa

R m ≥ 700 MPa

A5 ≥ 2%

Förbättringar i EN 1563:2012 i nya Annex B:

”1G DI”

”2G DI”

Förbättringar i EN 1563:2012 i nya Annex A:

Helferritisk matris är förvånande duktil: Trots dominerande kompaktgrafit uppvisar ”segjärn”

med 3.9% Si: Rp0,2=451 MPa, Rm=565 MPa, A5=10%!

Dessutom har ferritisk matris (trots hög Si-halt) alltid bättre värmeledning än perlitisk matris!

Vem har andra behov??

Förbättringar i EN 1563:2012 Annex A (forts.)

ADI!

Vid 450-600 MPa

brottgränsnivåer

fås samtidigt

+17–33% högre

sträckgränsnivå

och 2x – 5x högre

brottförlängning!

Förbättringar i EN 1563:2012 Annex A (forts.)

Förbättringar i EN 1563:2012 Annex A (forts.)

Detta nya Annex F i EN 1563:2012 har författats av Richard Larker

Förbättringar i EN 1563:2012 i nya Annex F:

Förbättringar i EN 1563:2012 Annex F (forts.)

Lösningshärdad perlit är mycket spröd!!

Förbättringar i EN 1563:2012 Annex F (forts.)

Brottsegheten är högre för lösningshärdad ferrit än för ferrit-perlit!

Försprödande

testmetod!!

Förbättringar i EN 1563:2012 Annex F (forts.)

Förbättringar i EN 1563:2012 Annex F (forts.)

utvecklar “2G DI” för grövre dimensioner:

”Concast” = 60 x 75 mm stränggjutning med imponerande egenskaper! (3,9% Si + 0,16% Mn)

Utdrag från föredrag av T. J. Castledine vid ImmCo i november 2009 (ett år efter min Millis 2008-presentation!)

utvecklar “2G DI” för grövre dimensioner:

Spheroidal graphite cast iron, fatigue life, as cast surface,

results 4-point bending test, 10 test pieces for each grade

300

320

340

360

380

400

2,0E+05 4,0E+05 6,0E+05 8,0E+05 1,0E+06 1,2E+06 1,4E+06

Number of cycles (mimimum, maximum) (n)

Str

es

s a

mp

litu

de

(M

Pa

)

EN-GJS-500-7, 0,45% Cueq

EN-GJS-500-7, 0,70% Cueq

EN-GJS-500-10, 3,75% Si

Perlitinnehållande segjärnsgods har en avkolad ferritisk ytzon

med lägre hållfasthet i ytan (p.g.a. den lägre kiselhalten i den ternära Fe-C-Si-legeringen);

Si-lösningshärdat helferritiskt segjärn behåller hela hållfastheten ända ut i ytan,

vilket är särskilt värdefullt då gjutgodsytor utsätts för utmattningsbelastning

EN-GJS-600-3,

Fördel vid utmattningsbelastning av gjutyta:

Courtesy: Joop Kikkert, Componenta NL

EN-GJS-500-14, 3.75% Si

160

180

200

220

240

260

280

300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540

0,2 % Dehngrenze (MPa)

Bri

ne

l H

ärt

e H

BW

EN-GJS-500-7

EN-GJS-600-3

prGJS-500-14

prGJS-600-10prGJS-600-10

Courtesy: Joop Kikkert, Componenta NL

Perlitisk matris blir bara önskvärd när nötningsbeständighet (”as-cast” eller härdad)

är viktigare än alla andra egenskaper:

sträckgräns, duktilitet, brottseghet, bearbetbarhet, måttnoggrannhet, kassationsnivå, e t c!

När blir då perlit önskvärd i segjärn?

GJS 450-18, 500-14 & 600-10 vs. GJS 500-7, 600-3 & 700-2

(data från

EN 1563:2012 ;

Table E.1 ( KIC ) på Y-axlar, Table 3 vs. Table 1

på X-axlar)

GJS 450-18, 500-14 & 600-10 vs. GJS 500-7, 600-3 & 700-2

(data från

EN 1563:2012 ; Table E.1 ( KIC ) på Y-axlar,

Table 3 vs. Table 1 på X-axlar)

”2G ADI” ”2G ADI”

Paradigmskifte i både Seghet & Styrka:

Mekaniska egenskaper blir klart bättre

baserade på lösningshärdning av ferrit

än förekomst av Fe3C eller andra karbider

30% längre verktygslivslängder (prel. Indexator-resultat); 22% lägre total bearbetningskostnad (prel. Volvo CE-resultat)

Indexators första segjärnskomponent i ”2G DI”:

Svivelhus (138 kg), gjutet sedan 2005 i

ISO 1083/JS/500-10 (3.8% Si), erbjuder

konsekventa egenskaper i vår

största rotator, integrerad i återvinnings-

grip med fem gripklor för 20 tons last

Varför ersätta GJS-500-7 med GJS-500-14?

Fem (5) tätningsspår i hydraul-sviveln

ställer mycket höga krav på

snäv bearbetningstolerans (20 µm)

GJS-500-7 gav:

o Toleranser ofta utanför specifikation,

eftersom hårdhetsvariationer på 30-60 HBW-

enheter förbrukar hela toleransvidden!

o Hög kassationsnivå

GJS-500-14 ger: Konsekventa egenskaper (HBW e t c)

Toleranser inom specifikation

Totalkostnad <80% (summering av bearbetningstid + skärslitage + kassation)

Finsvarvning av Øi inom 20 µm tolerans i Statorring:

Vid bearbetning av 10 000 Statorringar/år

har konvertering från ferrit-perlitiskt EN-GJS-500-7

till Si-lösningshärdat helferritiskt EN-GJS-500-14

reducerat den totala bearbetningskostnaden med

465 000 kr/år! (€ 50 000/år),

varav

80% från ökade skärdata (finsvarvningstiden halverad till 4 min 15 s)

och

20% från eliminerad HBW-relaterad kassation (14 ⟹ <1 ring/månad)!

Dessutom möjliggörs obemannad bearbetning under raster

samt reducerad/eliminerad HBW-kontroll!

Indexator sparar Σ 750 000 SEK/år genom att använda ”2G DI”!

Förbättrad skärbarhet och robusta egenskaper hos “2G DI” ger avsevärda besparingar:

”It is not necessary to change –

Survival is not mandatory”

W. Edwards Deming father of Continual Improvement

ADI ger typiskt fördubblad hållfasthet med oförändrad duktilitet!

Gjutet ferrit-perlitiskt segjärn Austemperat ausferritiskt segjärn

Ausferrit, inte bainit!!!

Vad är ausferritiskt segjärn ADI?

I EN 1564:2011 Annex C (liksom i EN 1563:2012 Annex B)

anges vägledande värden för mekaniska egenskaper

i gjuten komponent med tre (3) intervall av relevant väggtjocklek:

Förbättringar (många från ISO 17804:2005) i EN 1564:2011

Log t (min)

T (ºC)

Bainit

Ausferrit

M s

M f

Perlit

Snabbkylning med 100-

1200 K/min för att undvika ”perlitnosen”

Stoppa

kylningen ovanför Ms

3 steg: austenize + quench + austemper

Kiselhalten i de flesta gjutjärn

fördröjer eller förhindrar helt nedbrytningen av

ausferritens austenit till spröd bainit

0.4-0.9 wt% C

1.4-2.0 wt% C i austeniten

Martensit

Snabbkylning & austemperering sker vanligen i ett saltbad

vid 250-400°C

ADI beskrevs redan i det första segjärnspatentet av Millis et al 1949!

Treatment #1: Austempering by quenching from 843°C into salt bath at 427°C for 5 h:

Alloy #18: 2.6% C, 2.3% Si, 0.9% Mn, 1.9% Ni, 0.07% Mg

⟹ Rp0.2 = 710 MPa; Rm = 820 MPa; A4 = 0.5%; H = 344 HV

Alloy #21: 3.1% C, 2.1% Si, 0.8% Mn, 1.9% Ni, 0.08% Mg

⟹ Rp0.2 = 730 MPa; Rm = 880 MPa; A4 = 1.5%; H = 328 HV

ADI har en förvånansvärt lång historia:

Därmed skördade Mn ännu ett offer; ADI-utvecklingen fördröjdes i flera decennier!

0,25 % Mn

0,37 % Mn

0,67 % Mn

3,6% C; 2,6% Si; 0,3% Cu; 0,25% Mo; Austenitiserad vid 920 °C

Vanliga manganhalter i segjärn stänger ”processfönstret” för de högre austemperings-temperaturer ≥360°C som behövs för att producera ADI med både hög styrka och högsta duktilitet!

Alla legeringstillsatser (& C%) utom Si fördröjer fullbordan av Steg 1 (ausferrit); kisel fördröjer starten av Steg 2 (bainit) ⟹ Mer kisel vidgar ”processfönstret”!

Legeringens inverkan på “processfönstret”:

Courtesy: R. Elliott, ”The Role of Research in Promoting A D I ”,

Heat treatment of Metals 1997.3, pp. 55-59

SiSSADI-konceptet, baserat på ”2G DI”:

Under 2005-2012, parallellt med stort engagemang i projekten VI & HighT

(utvecklande DI- & ADI-artiklar för Volvo, Indexator, Scania, Atlas Copco, m fl)

samt parallellt med revideringarna av EN 1563 (DI) & EN 1564 (ADI),

så har Indexator investerat 9 man-år i FoU för att utveckla

austemperering av Si-lösningshärdat segjärn ⟹ SiSSADI:

1. Lösningshärdning från kisel av acikulär ferrit i den ausferritiska matrisen

(duplex austenit + ferrit) ger förbättrad kombination av styrka och duktilitet

2. Reducering/eliminering av försprödande bainitiska karbider, även i starkare sorter

bildade vid lägre austemperings-T <350°C, vilket bevarar duktiliteten & segheten

3. Starkt bidrag till austempererbarheten från Si (starkare än Ni eller Cu per wt%!),

vilket reducerar både legeringskostnad och segringar (vilket förkortar processtiden),

och möjliggör homogen ausferrit upp till minst Ø 120 mm / 80 mm väggtjocklek

4. Bearbetning underlättas i både ”as-cast” och austempererat tillstånd

Slutlig design av Redskapsfäste i SiSSADI :

Atlas Copco har ADI i sina Hammarkroppar:

Atlas Copco Construction

Tools i Kalmar är den första (och hittills enda)

OEM i Sverige som

installerat egen austemperings-kapacitet

(med konvent. saltbad)

De utvärderar just nu en övergång från konven-

tionell ADI till SiSSADI

i sina Hammarkroppar, och kan därmed bli vår

första licenstagare av

SiSSADI -konceptet

De överväger också konvertering av stål-detaljer till SiSSADI

Gasflöde under värmning & kylning vid

200 MPa (2000 bar!) argon-gastryck i HIP :

T & p vs. t för konceptet AusFerHIP :

Vid 200 MPa gastryck blir austempererbarheten fördubblad!

Snabbare värmning & austenitisering + eliminering av porositet & σrest.

Uniform snabbkylning med >11°C/s i mitten av Ø22 mm ner till 400°C

Kostnadseffektiv process för att framställa ausferritiska segjärn (& stål)

med överlägsen mekanik; patentsökt av Indexator 2007

SiSSADI -mikrostruktur (nodul-Ø 35 µm):

Den sedan 2006 patentsökta innovationen SiSSADI-konceptet

blev i maj 2010 belönad med Silléns Innovationspris

(utsedd av en jury från Scania, Volvo och 5 svenska gjuterier), och är nu

öppet för licensingsavtal utanför Indexators bransch

Mekaniska egenskaper efter AusFerHIP vid relativt låg T:

(medelvärden± std. dev. från 3 dragprov, bearbetade från 75 mm Y-block gjutna hos

Componenta Weert med 3.9% Si + NiCuMo för austemperbarhet upp till Ø120 mm)

Rp0.2 = 1114 ±7 MPa; Rm = 1447 ±9 MPa; A5 = 11.6 ±1.8 %

SiSSADI austempererad via saltbad är också överlägsen konventionell ADI ;

samma Taustemp som i HIP ger liknande Rp0.2 -nivåer, medan nivåerna för Rm

och i synnerhet A5 reduceras, samt att all spridning ökar p g a gjutporositet

Tack för Er uppmärksamhet! Frågor?