fulltext - DiVA Portal

Kan pulvermetallurgi utnyttjas som tillverkningsmetod för
högbelastade kugghjul? – En studie av tillvägagångssätt och
lämplighet
Can powder metallurgy be utilized as manufacturing method for high load gears?
– A study of the procedure and appropriateness
Figur
1:
En
uppsättning
kugghjul
som
är
tillverkade
enligt
pulvermetallurgiskt
förfarande.1
MG104X Examensarbete inom teknik och management
KTH vårterminen 2010
Erik Amberg
Sammanfattning
Pulvermetallurgi
är
en
tillverkningsteknik
för
en
stor
mängd
maskinkomponenter
såsom
kugghjul,
lager
och
filter.
Tillverkningen
sker
genom
sammanpressning
och
upphettning,
eller
sintring,
av
ett
fint
metallpulver
för
att
på
så
sätt
direkt
skapa
komponenter
med
önskad
form,
istället
för
att
behöva
skära
bort
delar
av
detaljen
för
att
det
ska
erhålla
den
önskade
formen.
Detta
är
särskilt
fördelaktigt
vid
kugghjulstillverkning,
på
grund
av
deras
komplexa
former.
Tekniken
är
även
ekonomiskt
fördelaktig
eftersom
den
knappt
producerar
något
spillmaterial
alls
i
jämförelse
med
alternativa
tillverkningstekniker.
Syftet
med
denna
studie
var
att
undersöka
huruvida
pulvermetallurgi
är
lämplig
som
tillverkningsmetod
för
kugghjul
som
ska
användas
i
lastbilars
växellådor,
en
applikation
som
kännetecknas
av
väldigt
höga
belastningar
och
driftsäkerhetskrav.
Undersökningen
genomfördes
genom
studie
av
tre
fallstudier
och
en
intervju.
Resultatet
löd
att
pulvermetallurgi
har
svårt
att
mäta
sig
med
de
alternativa
tillverkningsmetoder
som
finns
för
denna
typ
av
kugghjul
när
det
gäller
uppnådd
komponentlivslängd,
förmodligen
på
grund
av
svårigheter
med
att
minimera
porer.
Dock
kan
en
omställning
till
kugghjul
tillverkade
enligt
pulvermetallurgiskt
vis
fortfarande
vara
ekonomiskt
försvarbart
tack
vare
teknikens
kostnadsfördelar
som
erhålls
ur
en
lägre
grad
av
materialförbrukning.
Ett
företags
val
av
tillverkningsteknik
bör
baseras
på
vilken
teknik
som
kan
skapa
den
bästa
och
långsiktigt
hållbaraste
ekonomiska
utvecklingen.
1
Abstract
Powder
metallurgy
is
a
manufacturing
method
for
a
vast
amount
of
machine
components,
including
gears,
bearings
and
filters.
The
production
is
carried
out
through
compression
and
heating,
or
sintering,
of
a
fine
metal
powder,
in
order
to
directly
produce
components
with
the
wanted
geometrical
dimensions
instead
of
having
to
shape
the
components
through
cutting
or
machining
procedures.
This
is
especially
advantageous
when
producing
gears,
because
of
their
complex
shapes.
The
technique
is
also
economically
advantageous
since
it
barely
produces
any
spill
material
at
all
in
comparison
to
alternative
manufacturing
techniques.
The
purpose
of
this
study
was
to
examine
whether
powder
metallurgy
could
be
an
appropriate
manufacturing
method
for
gears
used
in
the
transmission
of
a
truck,
an
application
that
is
characterized
by
high
loads
and
strong
demands
on
dependability
of
the
gears.
The
investigation
was
carried
out
through
analyzing
three
case
studies
and
through
one
interview.
The
result
stated
that
powder
metallurgy
has
difficulties
to
compete
with
the
other
options
of
manufacturing
methods
that
exists
for
this
application
when
it
comes
to
achievable
component
lifetime,
which
probably
is
a
consequence
of
the
difficulties
in
minimizing
pores.
Despite
this
may
a
switch
to
powder
metallurgically
manufactured
gears
still
be
economically
sound
thanks
to
the
technology’s
cost
advantages
due
to
the
higher
raw
material
utilization.
A
company’s
choice
of
manufacturing
technology
should
be
based
on
which
technology
that
can
create
the
best
and
most
long‐term
sustainable
economic
development.
2
Innehållsförteckning
1
Introduktion............................................................................................................................... 5
1.1.
Bakgrund ..........................................................................................................................................5
1.2.
Syfte ....................................................................................................................................................5
1.3.
Avgränsningar ................................................................................................................................5
1.4.
Metod..................................................................................................................................................6
2
Vad
är
pulvermetallurgi?....................................................................................................... 7
2.1.
Inledning ...........................................................................................................................................7
2.2.
Användningsområden...................................................................................................................8
2.3.
Pulvermetallurgins
grunder .......................................................................................................8
2.3.1.
Pulvertillverkning .....................................................................................................................8
2.3.1.1.
Järnmalmsreduktion ..............................................................................................................9
2.3.1.2.
Atomisering ...............................................................................................................................9
2.3.2.
Pulverformgivning ................................................................................................................. 10
2.3.2.1.
Koaxial
pressning ................................................................................................................. 10
2.3.2.2.
Isostatisk
pressning ............................................................................................................. 11
2.3.2.3.
Formsprutning ...................................................................................................................... 12
2.3.3.
Sintring ....................................................................................................................................... 12
2.3.3.1.
Pulvergjutning....................................................................................................................... 13
2.3.4.
Efterbehandling....................................................................................................................... 13
2.3.4.1.
Återpressning ........................................................................................................................ 13
2.3.4.2.
Ytförtätning............................................................................................................................ 14
2.3.4.3.
Porutfyllnad ........................................................................................................................... 14
2.3.4.4.
Uppkolning ............................................................................................................................. 15
3
Alternativa
metoder
för
kugghjulstillverkning .......................................................... 16
3.1.
Kugghjulstillverkning
genom
maskinell
behandling
av
smitt
stål .............................. 16
3.2.
Kugghjulstillverkning
genom
formgjutning
av
stål ......................................................... 17
4
Empiriska
data ....................................................................................................................... 18
4.1.
Fallstudie
1:
High
Performance
Gears
for
Heavy
Duty
Transmission.......................... 18
4.1.1.
Syfte
och
metod........................................................................................................................ 18
4.1.2.
Resultat ...................................................................................................................................... 19
4.1.3.
Diskussion
och
slutsats......................................................................................................... 19
4.2.
Fallstudie
2:
Bending
Fatigue
of
Surface
Densified
Gears............................................... 20
3
4.2.1.
Syfte
och
metod........................................................................................................................ 20
4.2.2.
Resultat ...................................................................................................................................... 20
4.2.3.
Diskussion
och
slutsats......................................................................................................... 21
4.3.
Fallstudie
3:
Rolling
Contact
Fatigue
Performance
Contrasting
Surface
Densified,
Powder
Forged,
and
Wrought
Materials.......................................................................................... 21
4.3.1.
Syfte
och
metod........................................................................................................................ 21
4.3.2.
Resultat ...................................................................................................................................... 22
4.3.3.
Diskussion
och
slutsats......................................................................................................... 22
4.4.
Implikationer
från
intervju ...................................................................................................... 23
5
Analys
av
resultat .................................................................................................................. 25
5.1.
Analys.............................................................................................................................................. 25
5.2.
Implikationer
från
analysen .................................................................................................... 25
6
Slutsats
och
diskussion ....................................................................................................... 27
6.1.
Slutsats ........................................................................................................................................... 27
6.2.
Kritisk
granskning
av
eget
arbete.......................................................................................... 27
6.3.
Förslag
till
fortsatt
arbete ........................................................................................................ 28
Referenser ...................................................................................................................................... 29
Tryckta
källor........................................................................................................................................... 29
Intervjuer................................................................................................................................................... 29
Internetkällor........................................................................................................................................... 29
Fallstudier ................................................................................................................................................. 29
Bilagor.............................................................................................................................................. 33
Bilaga
A
–
Bilagor
till
fallstudie
1....................................................................................................... 33
Bilaga
B
–
Bilagor
till
fallstudie
2 ...................................................................................................... 36
Bilaga
C
–
Bilagor
till
fallstudie
3....................................................................................................... 39
4
1 Introduktion
1.1.
Bakgrund
Tillverkning
med
hjälp
av
pulvermetallurgi
(PM)
är
idag
en
utbredd
och
vida
använd
framställningsmetod
för
maskinkomponenter,
bland
annat
kugghjul,
till
många
olika
användningsområden.
Särskilt
fordonsindustrin
är
en
storkonsument
av
artiklar
tillverkade
med
PM‐metoden2.
Hållfasthet
och
form
på
artiklarna
går
att
variera
noggrant
och
anpassa
genom
val
av
olika
bearbetningsutrustningar,
legeringar
och
behandlingsförhållanden.
Pulvermetallurgi
har
även
ekonomiska
fördelar
i
relation
till
andra
jämförbara
tillverkningsmetoder,
eftersom
både
material‐
och
energiåtgång
är
relativt
sett
låga.
PM‐kugghjul
har
traditionellt
inte
varit
lämpliga
för
applikationer
med
hög
belastning3.
Detta
beror
på
att
det
har
existerat
svårigheter
att
på
pulvermetallurgisk
väg
tillverka
kugghjul
med
tillräckligt
hög
densitet
för
att
kunna
användas
till
applikationer
med
höga
hållfasthetskrav.
Ett
sådant
exempel
är
en
lastbils
växellåda.
Dock
har
nya
metoder
gjort
det
möjligt
att
öka
densiteten
till
högre
nivåer,
vilket
kan
innebär
att
pulvermetallurgi
kan
utgöra
en
rimlig
tillverkningsmetod
för
kugghjul
anpassade
till
dessa
områden
med
höga
krav
på
prestanda.
Denna
rapport
kommer
delvis
att
fokusera
på
pulvermetallurgin
i
stort,
genom
att
ta
upp
och
beskriva
olika
tillvägagångssätt
och
varianter
av
det
pulvermetallurgiska
förfarandet.
Därefter
kommer
rapporten
att
fokusera
mer
på
vilka
möjligheter
pulvermetallurgin
har
att
utgöra
ett
konkurrenskraftigt
alternativ
för
tillverkning
av
kugghjul
som
utsätts
för
väldigt
höga
belastningar
under
lång
tid,
genom
att
undersöka
lämpligheten
i
att
använda
PM‐
kugghjul
till
växellådor
och
transmission
i
lastbilar.
Denna
undersökning
är
relevant
då
de
ekonomiska
fördelar
som
PM‐kugghjul
kan
erbjuda
kan
vara
till
stor
nytta
för
många
företag.
Eftersom
undersökningen
berör
användningsområden
som
kännetecknas
av
hög
belastning
och
höga
krav
på
driftsäkerhet
är
det
också
viktigt
att
säkerställa
att
de
undersökta
metoderna
inte
bara
är
ekonomiskt
gångbara,
utan
också
att
kugghjulen
faktiskt
har
de
egenskaper
som
krävs
för
att
klara
av
de
belastningar
som
de
kan
utsättas
för.
1.2.
Syfte
Vilka
möjligheter
har
PM‐kugghjul
att
konkurrera
med
traditionellt
tillverkade
kugghjul
inom
användningsområden
som
karakteriseras
av
hög
belastning
och
höga
krav
på
driftsäkerhet?
1.3.
Avgränsningar
För
att
kunna
finna
ett
svar
till
frågeställningen
ovan
så
har
författaren
valt
att
konkretisera
den
genom
att
i
rapportens
undersökningsdel
fokusera
på
lämpligheten
i
att
använda
pulvermetallurgiskt
tillverkade
kugghjul
i
lastbilars
växellådor
och
transmission.
Detta
val
är
baserat
på
faktumet
att
det
nämnda
användningsområdet
kännetecknas
av
höga
prestandakrav,
på
grund
av
de
stora
kraftöverföringar
som
sker
genom
transmissionen.
Undersökningen
utgörs
av
en
kvalitativ
jämförelse
mellan
resultaten
av
de
olika
informationskällorna.
Detta
innebär
att
jämförelsen
inte
görs
mellan
absoluta
tal,
utan
snarare
mellan
kvalitativa
slutsatser.
Av
denna
anledning
har
även
de
grafer
och
5
diagram
vars
resultat
betraktas
lagts
in
som
bilagor
istället
för
direkt
i
texten.
De
relevanta
delarna
ur
grafernas
resultat
presenteras
istället
skriftligt
i
texten
i
relation
till
referensvärden.
Denna
avvägning
beror
på
svårigheter
förknippade
med
att
genomföra
kvantitativa
jämförelser
mellan
olika
informationskällor.
1.4.
Metod
Kunskapsinhämtningen
till
denna
undersökning
har
skett
ur
tryckt
litteratur
rörande
teknologin,
informationssökningar
på
internet,
genomgång
och
analys
av
fallstudier
och
genom
en
intervju
med
Erik
Sandqvist,
anställd
vid
Scania.
De
tre
utvalda
fallstudierna
behandlar
alla
det
utvalda
fokusområdet
genom
att
undersöka
och
jämföra
olika
pulvermetallurgiska
tillverkningstekniker
med
de
konventionella
tekniker
som
finns.
Den
första
fallstudien
är
baserad
på
en
undersökning
gjord
i
företagen
Scanias
och
Höganäs
regi.
Scania
är
en
välkänd
lastbilstillverkare
och
Höganäs
en
stor
producent
av
pulvermetallurgiskt
tillverkade
produkter.
Den
andra
fallstudien
är
genomförd
av
PMG
Ohio
Corporation,
ett
företag
som
även
det
tillverkar
komponenter
på
pulvermetallurgisk
väg.
Båda
dessa
studier
är
funna
i
den
amerikanska
branschtidsskriften
Gear
Solutions.
Den
tredje
och
sista
studien
är
även
den
genomförd
av
Höganäs.
Den
är
tagen
ur
en
dokumentdatabas
funnen
på
Höganäs
webbplats.
För
att
bidra
med
en
annan
synvinkel
till
rapporten
ville
författaren
komma
i
kontakt
med
ett
företag
aktivt
inom
lastbilsindustrin,
för
att
undersöka
hur
PM‐kugghjul
faktiskt
kan
användas
till
växellådor
och
transmission
inom
den.
Författaren
tog
kontakt
med
Scania
och
presenterade
önskemålet
och
blev
då
hänvisad
till
Erik
Sandqvist,
chef
för
avdelningen
för
materialteknologi
för
axlar
och
transmission.
Anledningarna
till
att
valet
av
företag
föll
på
Scania
var
delvis
det
faktum
att
huvudkontoret
ligger
placerat
i
Södertälje
vilket
möjliggjorde
ett
besök
men
också
på
grund
av
företagets
goda
relation
till
KTH,
vilket
upplevdes
underlätta
kontakten.
6
2 Vad
är
pulvermetallurgi?
2.1.
Inledning
Pulvermetallurgi
är
i
korta
drag
ett
gemensamt
namn
för
en
mängd
olika
tillverkningstekniker
för
material
och
komponenter
som
alla
har
den
gemensamma
egenskapen
att
de
är
skapade
av
ett
fint
metallpulver,
där
järn
för
det
mesta
är
huvudkomponenten.
Genom
att
tillsätta
olika
andelar
av
andra
metaller
kan
man
skapa
legerade
material
med
en
stor
mängd
olika
egenskaper.
Den
första
uppkomsten
av
den
moderna
pulvermetallurgin
skedde
i
början
av
1800‐talet
i
Ryssland.
Tekniken
användes
då
för
tillverkning
av
platinamynt4.
Idag
har
den
vuxit
till
en
storindustri
inom
vilken
en
stor
mängd
skilda
komponenttyper
tillverkas.
Figur
2:
Materialåtgång
och
förbrukad
energi
för
olika
komponent­tillverkningstekniker.
Sintringsprocessen
utgör
ett
centralt
steg
inom
pulvermetallurgin.5
En
särskilt
utmärkande
egenskap
för
PM‐tillverkningsteknik
är
den
relativt
sett
låga
råmaterialförbrukningen
vid
tillverkningen,
då
det
sällan
är
nödvändigt
med
efterbehandling
av
de
färdiga
föremålen.
Detta
leder
också
till
en
minskad
energiåtgång
då
bearbetningstiden
förkortas
(Se
figur
2).
En
annan
fördel
är
att
belastningen
och
slitaget
per
tillverkad
enhet
på
tillverkningsutrustningen
är
relativt
sett
lågt,
vilket
leder
till
en
hög
noggrannhet
för
produkten
och
lång
livstid
för
tillverkningsutrustningen.
Detta
gör
att
pulvermetallurgi
är
extra
fördelaktigt
vid
väldigt
stora
tillverkningsvolymer.
7
2.2.
Användningsområden
Figur
3:
Exempel
på
komponenter
tillverkade
med
PM­teknologi.6
Idag
tillverkas
många
olika
komponenter
med
hjälp
av
pulvermetallurgi.
Tack
vare
de
egenskaper
och
de
processer
som
kännetecknar
tillverkningsmetoden
blir
det
möjligt
att
med
minimalt
materialsvinn
tillverka
artiklar
med
avancerade
former.
Tillverkningsförfarandet
lämpar
sig
också
för
automatiserad
produktion
med
stora
produktvolymer.
Förutom
kugghjul
tillverkas
även
många
andra
komponenter
med
hjälp
av
pulvermetallurgi,
som
till
exempel
lager,
filter,
ventiler
och
vevstakar.7
Figur
3
visar
några
exempel
på
komponenter
som
tillverkats
med
denna
teknologi.
2.3.
Pulvermetallurgins
grunder
Till
komponenttillverkning
med
hjälp
av
pulvermetallurgi
hör
i
stora
drag
fyra
steg.
Dessa
steg
lyder
som
följande:
1. Pulvertillverkning.
Pulver
framställs
genom
sönderdelande
av
metall.
2. Formgivning.
Pulvret
formas
genom
sammanpressning.
3. Sintring.
Artiklarna
upphettas,
vilket
har
en
ökad
hållfasthet
som
effekt.
4. Efterbehandling.
Ofta
nödvändigt
om
hållfastheten
ska
ökas
ytterligare.
I
nedanstående
punkter
beskrivs
stegen
mer
ingående.
2.3.1.
Pulvertillverkning
Innan
komponenttillverkningen
kan
starta
måste
först
pulvret
framställas.
Genom
att
variera
val
av
råmaterial
och
processteknik
och
proportioner
av
eventuella
legeringsämnen
kan
pulvrets
och
det
färdiga
materialets
egenskaper
styras.8
Det
finns
ett
flertal
metoder
för
att
tillverka
det
pulver
som
sedan
används
för
att
tillverka
PM‐
material.
Nedan
beskrivs
två
av
dessa
metoder.
Därtill
tillkommer
även
direkt
malning
av
metallstycken
och
elektrolytisk
utfällning.
8
2.3.1.1.
Järnmalmsreduktion
Figur
4:
Illustration
av
pulvertillverkning
genom
reduktion.9
En
av
de
äldsta
metoderna
är
baserad
på
järnmalmsreduktion.
Finmalen
järnmalm,
vilket
också
kallas
för
slig,
placeras
koncentriskt
tillsammans
med
kolpulver
och
kalkstenspulver
i
en
reduktionsdegel,
alltså
en
sorts
förvaringskärl,
tillverkad
av
kiselkarbid
(SiC)
enligt
figur
4.
Kärlet
placeras
sedan
i
en
reduktionsugn
där
den
hettas
upp
till
en
temperatur
på
ca
1200
grader
Celsius,
en
temperatur
som
ligger
under
smältpunkten
för
järn.10
Vid
denna
temperatur
sker
en
kemisk
reaktion
som
producerar
kolmonoxid
och
ger
järn
som
reduktionsprodukt.
Efter
reduktionen
får
det
nybildade
järnet
en
struktur
som
kan
liknas
vid
strukturen
hos
en
tvättsvamp.
Järnet
mals
sedan
upp
i
mikropartiklar,
vilka
fortfarande
behåller
den
ursprungliga
svampstrukturen
inom
sig.11
2.3.1.2.
Atomisering
Figur
5:
Illustration
av
pulvertillverkning
genom
atomisering
med
vatten
som
medium.
En
vattenstråle
(water
spray)
skjuts
in
i
smältan
och
delar
upp
den.12
En
annan
väldig
vanlig
pulverframställningsmetod
är
baserad
på
att
låta
en
smält
metallegering
med
önskad
komposition
finfördelas
med
hjälp
av
en
stråle.13
Den
smälta
massan
hälls
i
en
degel
för
att
sedan
i
en
tunn
stråle
flöda
ut
ur
ett
munstycke
som
skingras
av
strålar
av
ett
valt
medium
som
vanligtvis
består
av
vatten,
men
det
kan
även
9
vara
luft
eller
gas.
Strålarna
bryter
upp
metallflödet
i
många
små
droppar
som
snabbt
stelnar
till
pulverpartiklar
(Se
figur
5).
Formen
på
partiklarna
skiljer
sig
åt
beroende
på
mediet.
Om
gas
med
låg
värmekapacitet
används
blir
partiklarna
sfäriska,
medans
vid
användning
av
vatten
får
de
väldigt
oregelbundna
former.14
Efter
denna
uppdelning
måste
det
skingrande
mediet
separeras
från
pulvret
och
i
många
fall
krävs
även
ytterligare
behandling
för
att
få
bort
ett
eventuellt
ytlager
som
formats
på
partiklarna
på
grund
av
mediet.
Gemensamt
för
dessa
och
andra
metoder
är
att
de
resulterar
i
ett
pulver
bestående
av
vad
man
skulle
kunna
definiera
som
mikro‐stycken
eller
mikro‐tackor.
Med
det
menas
att
varje
mikro‐stycke
har
formats
individuellt,
istället
för
att
hela
det
slutgiltiga
stycket
tillverkas
som
en
homogen
bit.
Det
innebär
att
om
ett
fel
på
mikrostrukturell
nivå
uppstår
i
stycket
så
kan
detta
fel
spridas
över
hela
biten.
Fel
som
kan
uppstå
kan
exempelvis
bero
på
att
olika
legeringselement
inte
beblandats
ordentligt
eller
att
lokala
densitetssvackor
har
uppstått.
Vid
användandet
av
pulver
för
komponenttillverkning
är
däremot
sådana
mikrostrukturfel
begränsade
till
det
väldigt
lilla
stycke
av
den
totala
biten
där
det
uppstod.
Därför
kan
man
med
pulvermetallurgi
helt
undvika
eller
i
alla
fall
drastiskt
minska
problem
relaterade
till
en
oönskad
mikrostruktur
i
materialet.15
2.3.2.
Pulverformgivning
2.3.2.1.
Koaxial
pressning
För
att
kunna
gå
vidare
med
tillverkningen
måste
metallpulvret
formges.
Det
sker
genom
olika
typer
av
sammanpressning.
Nedan
följer
beskrivningar
av
några
av
de
viktigare
metoderna.
Figur
6:
Formgivning
genom
enaxlig
pressning.16
Den
viktigaste
formgivningsmetoden
för
PM‐komponenter
är
tvåsidigt
axial,
eller
koaxial,
pressning
i
vertikalt
led.
Kombinationen
av
goda
geometriska
formgivningsmöjligheter,
vilket
innefattar
både
precisions‐
och
upprepningsmöjligheter,
och
en
hög
produktivitet
utgör
denna
metods
största
styrkor.
Det
koaxiala
pressningsförfarandet
sker
rent
konkret
genom
att
metallpulver
hälls
i
en
form
vari
det
sedan
trycks
samman
av
pressningsstämplar
(Se
figur
6).
Pressningsmaskinen
utgörs
utöver
själva
formen
av
en
överstämpel,
en
understämpel
och
om
nödvändigt
en
eller
flera
mittstavar
för
eventuella
genomskärande
hål
till
artikeln.17
Sammanpressningen
kan
ske
antingen
genom
enkelriktat
eller
genom
dubbelriktat
tryck.
Vid
enkelriktat
10
tryck
pressar
överstämpeln
ner
på
en
fixerad
understämpel,
medans
vid
dubbelriktat
tryck
pressar
både
över‐
och
understämpeln
på
artikeln
från
två
riktningar.
Genom
att
variera
utseendet
på
pressformen
kan
man
skapa
komponenter
med
många
olika
former
och
storlekar.
Det
finns
dock
vissa
begränsningar
av
hur
pass
komplicerade
geometrier
som
går
att
skapa.
Efter
pressning
har
artikeln
i
stora
drag
fått
en
form
som
överensstämmer
med
slutproduktens
tänkta
form.
Dock
skiljer
sig
fortfarande
det
mekaniska,
fysiska
och
kemiska
egenskaperna.
Detta
beror
på
att
pulverpartiklarna
ännu
inte
bundits
metallurgiskt
till
varandra,
utan
bara
mekaniskt.18
Artikeln
har
nu
nått
det
så
kallade
grönkroppsstadiet
(Green
Compact)
i
produktionskedjan.
2.3.2.2.
Isostatisk
pressning
Elastisk form
Artikel som
sammanpressas
Figur
7:
Behållare
för
isostatisk
pressning.
Den
elastiska
formen
överför
presskraften
från
mediet
till
artikeln
som
sammanpressas
jämnt
över
hela
sin
yta.19
Vid
framställning
av
artiklar
med
komplexa
och
svårpressade
former
och
för
att
få
en
förbättrad
hållfasthet
bör
metoden
isostatisk
pressning
användas.
Denna
pressningsteknik
bygger
på
att
artikelkroppen
utsätts
för
ett
jämnt
tryck
som
ligger
över
hela
dess
yta.
Det
leder
till
en
jämnare
och
högre
densitet,
i
jämförelse
med
artiklar
sammanpressade
av
en
pressmatris.20
Detta
jämna
tryck
skapas
med
hjälp
av
ett
medium
i
form
av
en
gas
eller
vätska.
Det
ännu
icke
sammanpressade
pulvret
placeras
i
en
elastisk
form,
vilken
sedan
placeras
i
en
tryckbehållare
och
pressas
därefter
samman
av
mediet
när
trycket
i
behållaren
ökar,
enligt
figur
7.
Vid
rumstemperatur
lämpar
sig
i
första
hand
vätska
bäst
som
trycköverförande
medium.
Pressningsförfarandet
kallas
då
för
kallisostatisk
pressning,
eller
CIP
(Cold
Isostatic
Pressing).
Efter
pressning
av
stålpulver
ligger
densiteten
på
mellan
80
och
90
procent
av
densiteten
hos
en
kropp
av
smitt
stål.21
Utöver
komplexa
geometrier
möjliggör
detta
förfarande
även
framställandet
av
presskroppar
med
väldigt
hög
geometrisk
noggrannhet
i
jämförelse
med
deras
slutkonturer.
Förfarandet
gör
det
även
möjligt
att
foga
samma
komponenter
bestående
av
olika
material.22
Pressningstiden
för
en
presskropp,
det
vill
säga
tiden
för
en
arbetscykel,
ligger
på
mellan
10
och
30
minuter
vid
detta
förfarande.23
För
sammanpressning,
eller
konsolidering,
av
metallpulver
är
ett
tryck
på
400
MPa
tillräckligt.
Denna
metod
lämpar
sig
för
små
tillverkningsvolymer
av
större
komponenter
utan
alltför
komplicerad
form,
eftersom
det
endast
är
möjligt
att
applicera
ett
jämnt
tryck
på
enklare
geometrier
med
denna
metod.24
11
En
annan
isostatisk
konsolideringsmetod
är
varmisostatisk
pressning,
eller
HIP
(Hot
Isostatic
Pressing).
Även
vid
detta
förfarande
placeras
pulver
i
en
form
som
utsätts
för
tryck.
Skillnaden
mot
den
tidigare
beskrivna
pressningsmetoden
är
att
medans
pressningen
sker
så
hettas
även
formen
och
dess
innehåll
kraftigt
upp.
Det
innebär
att
den
använda
formen
måste
vara
tillräckligt
värmetålig
Arbetstemperaturen
ligger
vanligtvis
mellan
800
och
1500
grader
Celsius
och
det
totala
arbetstrycket
ligger
på
cirka
200
MPa.25
På
grund
av
behovet
av
lång
bearbetningstid
och
eftersom
anläggningen
tar
tid
att
tömma
och
fylla
så
klarar
den
högst
2
cykler
på
24
timmar.
Som
trycköverförande
medium
används
en
gas,
i
regel
argon,
tack
vare
dess
höga
renhetsgrad.
På
grund
av
den
upphettning
som
ingår
i
denna
process
behöver
artikeln
heller
inte
sintras
ytterligare.
Därför
kallas
denna
metod
även
för
trycksintring,
då
upphettandet
kan
liknas
vid
en
sintringsbehandling.
Utöver
de
egenskaper
som
kännetecknar
kallpressade
artiklar
så
erhåller
de
varmpressade
artiklarna
en
ännu
högre
densitet
och
då
även
ännu
bättre
hållfastighetsegenskaper,
detta
på
grund
av
de
sintringsliknande
uppvärmningsförhållandena.
Anläggningskostnaderna
är
dock
högre
för
denna
metod
jämfört
med
kall
isostatisk
pressning,
på
grund
av
den
ökade
energiåtgången
vid
uppvärmningen
och
den
förlängda
behandlingstiden.
2.3.2.3.
Formsprutning
2.3.3.
Sintring
Ytterligare
en
formgivningsmetod
är
Powder
Injection
Molding,
eller
formsprutning
på
svenska.
Metallpulver
blandas
med
ett
bindningsämne,
genomgår
en
granuleringsprocess
och
injiceras
sedan
in
en
form
där
det
pressas
samman
av
det
enaxiala
tryck
som
driver
på
flödet
in
i
formen.
Bindningsämnet
tas
därefter
bort
genom
urlakning
(leaching)
eller
utbränning
(burn‐out).26
Denna
avdrivning
är
en
komplicerad
och
tidsödande
process
då
komponentens
form
måste
vara
oförändrad
och
ingen
sprickbildning
i
komponenten
får
ske.
Sedan
sintras
föremålet
för
att
ge
det
en
hög
densitet.
Med
hjälp
av
denna
metod
kan
man
tillverka
små
komponenter
med
invecklad
geometri
genom
endast
enaxlig
pressning.27
Som
nästa
steg
i
tillverkningsprocessen
ska
den
sammanpressade
grönkroppsartikeln
sintras.
Det
innebär
att
artikeln
passerar
igenom
en
sintringsugn
där
den
hettas
upp
kraftigt.
Under
sintringen
sker
diffusion
på
atomnivå
vilket
gör
att
pulverpartiklarna
fogas
samman
tills
de
i
princip
inte
längre
går
att
åtskilja.
Det
leder
till
tillrundade
och
förminskade
porer
och
en
över
lag
lägre
porositet
i
artikeln.28
Vid
detta
förfarande
bildas
starka
metallurgiska
bindningar
mellan
partiklarna.
Sintringsprocessen
är
på
många
sätt
det
viktigaste
steget
vid
tillverkning
av
PM‐komponenter.
Det
är
i
detta
skede
som
komponenten
uppnår
den
hållfasthet
och
erhåller
de
materialegenskaper
som
den
förväntas
ha
när
den
är
färdig.
Sintringsoperationer
sker
i
princip
alltid
i
en
skyddad
och
kontrollerad
atmosfär
som
inte
innehåller
ämnen
som
kan
skada
och
förändra
sintringen.
Det
är
nödvändigt
för
att
kunna
förhindra
oxidation
i
materialet
och
för
att
kunna
reducera
oxider
som
bildats
på
materialets
yta.29
Temperaturen
i
sintringsugnen
ligger
vanligtvis
mellan
60
och
90
procent
av
smältpunktstemperaturen
för
den
aktuella
metallen
eller
legeringen.30
För
speciella
pulverblandningar
som
består
av
delvis
svårsintrade
ämnen
kan
dock
temperaturen
under
sintringen
ligga
över
smältpunktstemperaturen
för
det
pulverämne
som
har
lägst
smältpunkt.
Så
är
till
exempel
fallet
om
ett
ämne
med
lägre
smältpunkt
har
lagts
till
i
blandningen
för
att
underlätta
sintringsprocessen.
12
På
grund
av
diffusionen
och
sammanfogningen
som
sintringen
orsakat
så
ökar
normalt
den
behandlade
artikelns
densitet.
Densitetsökningen
medför
att
artikelns
volym
minskar,
eftersom
inget
ytterligare
stoff
tillförs
artikeln.
En
sådan
volymminskning
kan
leda
till
felaktig
komponentstorlek
med
bland
annat
felpassning
som
följd.
Därför
är
det
viktigt
att
uppnå
hög
densitet
redan
till
green
compact‐stadiet,
för
att
undvika
för
stora
volymförändringar
och
att
även
beräkna
hur
pass
stora
volymförändringar
som
sintringen
kan
orsaka,
för
att
kunna
kompensera
för
volymförändringen
vid
valet
av
press‐
och
sinterformsstorlek.
Särskilt
viktigt
är
det
att
uppnå
en
homogen
densitet
under
pressningssteget,
då
den
annars
riskerar
att
deformeras
ifall
volymen
förändras
olika
mycket
i
olika
delar
av
den.
Vid
en
jämn
densitet
och
en
homogen
spridning
av
eventuella
legeringselement
förändras
artikelns
storlek
med
samma
proportioner
över
hela
dess
massa
under
sintringen,
eftersom
sintringstemperaturen
då
påverkar
alla
delar
av
artikeln
lika
mycket.
Detta
gör
att
det
fortfarande
går
att
förutsäga
en
artikels
utseende
efter
sintringen.
2.3.3.1.
Pulvergjutning
2.3.4.
Efterbehandling
2.3.4.1.
Återpressning
En
variant
av
det
ovan
beskrivna
sinterförfarandet
är
Powder
Forging‐tekniken,
eller
pulvergjutning.
Den
bygger
på
en
kombination
av
sintring
och
formgjutning
och
är
kapabel
att
skapa
artiklar
med
maximal
densitet,
svårpressade
former
och
hög
dimensionell
noggrannhet
vid
massproduktion.31
Av
denna
anledning
krävs
väldigt
sällan
ytterligare
efterbehandling
av
artiklar
som
tillverkats
med
denna
teknik.
Tillverkning
med
pulvergjutning
inleds
med
att
den
önskade
pulversammansättningen
sammanpressas
till
en
artikel
vars
form
är
en
förenklad
variant
av
den
önskade
formen
på
slutresultatet.
Efter
pressningen
sintras
artikeln
med
en
temperatur
under
smältpunkten
för
pulvrets
basmetall.
Detta
ger
upphov
till
metallurgiska
bindningar
mellan
pulverpartiklarna,
vilket
ökar
artikelns
hållfasthet.32
Därefter
placeras
artikeln
i
en
gjutningspress
som
genom
pressning
och
upphettning
ger
artikeln
sin
slutform.
Detta
förfarande
orsakar
tillräckligt
mycket
deformation
för
att
ge
slutartikeln
en
densitet
som
ligger
väldigt
nära
densiteten
hos
solid
metall,
och
artikeln
får
därför
sådana
mekaniska
egenskaper
så
att
den
kan
hållfasthetsmässigt
kan
mäta
sig
med
artiklar
som
gjutits
ur
solida
metallstycken.33
Dock
finns
vissa
begränsningar
av
vilka
legeringsmaterial
som
kan
användas
i
pulvret
när
denna
teknik
används,
vilket
gör
att
tillverkare
kan
tvingas
välja
dyrare
legeringselement
än
om
andra
tillverkningstekniker
skulle
ha
använts.
För
att
tillverkningsprocessen
ska
vara
lönsam
krävs
också
vanligtvis
stora
produktvolymer
för
att
finansiera
utrustning
och
underhåll.34
Ytterligare
behandling
efter
sintring
är
ofta
nödvändig
för
att
en
artikel
ska
kunna
uppnå
den
hållfasthet
eller
geometri
som
eftersträvas.
Flera
olika
efterbehandlingsmetoder
kan
kombineras
för
att
uppnå
de
densitets‐
och
hållfasthetsnivåer
som
artikeln
behöver
ha.
Nedan
följer
en
närmare
beskrivning
av
fyra
olika
efterbehandlingstekniker
som
kan
användas
på
pulvermetallurgiskt
tillverkade
artiklar.
Att
även
efter
sintringen
pressa
artikeln
i
en
form
är
en
bra
metod
för
att
förbättra
både
hållfasthet
i
form
av
ökad
densitet
och
även
för
att
åtgärda
måttfel.
Denna
metod
kallas
för
återpressning
(Re‐pressing).
Vid
denna
andra
sammanpressning
används
vanligtvis
en
speciell
pressform
som
är
anpassad
till
artikelns
form
efter
sintringen,
men
om
det
rör
sig
om
artiklar
där
de
oönskade
dimensionella
förändringarna
ligger
på
noll
eller
13
väldigt
nära
noll
går
det
även
bra
att
använda
samma
form
som
användes
innan
sintringen.
Vid
fall
där
en
artikels
hållfasthet
måste
vara
maximal
används
återpressning
i
första
hand
som
ett
sätt
att
uppnå
maximal
hållfasthet.
För
att
åstadkomma
artiklar
med
ännu
bättre
dimensionell
noggrannhet
kan
metoden
varm
isostatisk
pressning
användas
efter
sintringen.35
2.3.4.2.
Ytförtätning
Figur
8:
En
pressningsmaskin
för
ytförtätning
av
kugghjul.
Det
mindre
kugghjulet
i
bildens
mitt
är
det
som
bearbetas.36
Figur
9:
Förstoring
av
en
förtätad
kuggflank
i
genomskärning.
Bilden
visar
att
porernas
antal
och
storlek
minskas
kraftigt
av
den
ytförtätande
behandlingen.
Den
större
bilden
visar
en
inzoomning
av
ytan
på
kuggen
i
den
mindre
bilden37
För
att
öka
densiteten
lokalt
i
en
sintrad
artikel,
särskilt
när
det
gäller
kuggarna
på
ett
kugghjul,
så
är
metoden
ytförtätning
(surface
densification)
att
rekommendera.
Genom
att
rulla
ett
sintrat
kugghjul
mot
ett
verktyg
med
motsvarande
kuggar
fast
med
en
högre
hårdhet
ökas
densiteten
lokalt
vid
ytan
på
kuggarna
på
grund
av
den
sammanpressning
av
porer
som
sker
vid
rullningen.
Den
utrustning
som
används
till
detta
finns
återgiven
i
figur
8.
Resultatet
av
denna
densitetsökning
är
en
förbättrad
utmattningsstyrka
mot
både
kuggböjning
och
brott
i
kuggroten
och
ett
förbättrat
motstånd
mot
skador
orsakade
av
ytkontakt.38
Figur
9
tydliggör
resultatet
av
en
ytförtätad
kugg.
Den
förtätade
kuggen
uppvisar
en
drastisk
densitetsökning
orsakad
av
sammanpressningen
och
förminskning
av
porerna
i
ytan.
2.3.4.3.
Porutfyllnad
Att
fylla
ut
en
sintrad
artikels
porer
med
något
medel
är
ytterligare
ett
sätt
att
öka
dess
hållfasthet.
Utfyllnadsmedlet
kan
antingen
vara
en
metall
i
smält
form,
eller
ett
organiskt
ämne
som
till
exempel
olja.
Är
medlet
en
metall
kallas
metoden
för
infiltration
och
om
det
är
ett
organiskt
ämne
benämns
det
istället
som
impregnering.
Vid
infiltration
är
det
viktigt
att
den
tillförda
metallen
har
en
lägre
smältpunkt
än
den
metall
eller
legering
som
den
sintrade
artikeln
består
av.
Det
är
inte
nödvändigt
att
applicera
ett
tryck
för
att
metallen
ska
spridas
i
och
fylla
upp
artikelns
porer,
då
en
kapillärkraft
uppstår
som
suger
in
den.
Vid
impregnering
med
olja
eller
annat
organiskt
ämne
får
man
istället
en
artikel
med
självsmörjande
egenskaper
och
bättre
tryckbevarande
egenskaper
på
grund
av
den
ökade
tätheten
i
materialet.
De
självsmörjande
egenskaperna
som
artikeln
erhåller
är
särskilt
nyttiga
för
olika
typer
av
axellager
som
behöver
smörjning.
Detta
är
14
därför
en
vanlig
efterbehandlingsmetod
vid
lagertillverkning.
Maskinell
behandling
av
sintrade
artiklar
underlättas
även
av
denna
typ
av
impregnering.39
2.3.4.4.
Uppkolning
En
annan
vanlig
metod
för
ythärdning
är
uppkolning,
eller
carburization.
Den
används
för
att
härda
de
flesta
typer
av
metallföremål,
även
sintrade.
Metoden
bygger
på
att
en
artikels
hållfasthet
ökas
genom
en
densitetsökning
i
artikelns
yta,
orsakad
av
en
förhöjd
kolhalt.
Denna
process
har
varit
känd
i
flera
tusen
år
och
den
utfördes
ursprungligen
genom
att
det
järnstycke
som
önskades
härdas
placerades
tillsammans
med
kol
som
sedan
hettades
upp.
Denna
process
tog
några
timmar
och
ledde
till
en
förhårdning
i
ytan.
Nu
för
tiden
sker
denna
process
på
ett
annat
sätt,
genom
att
metallstycket
som
ska
härdas
placeras
i
en
ugn,
vilken
är
anpassad
för
att
kunna
genomföra
härdningsprocesser,
som
innehåller
en
atmosfär
med
en
speciell
sammansättning
av
olika
ämnen.
Genom
att
variera
atmosfärssammansättningen
kan
uppkolningsförfarandet
optimeras
och
styras
till
att
skapa
ett
ytlager
med
ett
specifikt
djup
i
den
behandlade
artikeln.40
Trots
de
goda
formgivningsmöjligheter
som
finns
vid
produktion
av
PM‐artiklar
finns
det
fortfarande
begränsningar
för
vilka
typer
av
geometrier
som
går
att
skapa
på
ett
tillfredsställande
sätt
genom
pressning.
Därför
är
i
vissa
fall
maskinell
behandling
efter
sintringen
vara
nödvändigt,
till
exempel
vid
skapandet
av
transversala
hål
genom
artikeln.41
15
3 Alternativa
metoder
för
kugghjulstillverkning
Det
finns
ett
flertal
andra
metoder
för
kugghjulstillverkning
utöver
pulvermetallurgi.
I
detta
avsnitt
beskrivs
två
av
de
viktigaste
metoderna.
Den
generella
fördelen
med
dessa
metoder
är
att
de
ger
upphov
till
artiklar
med
högre
densitet
än
artiklar
tillverkade
enligt
det
pulvermetallurgiska
förfarandet.
Detta
beror
på
den
porfria
materialstruktur
som
de
nedan
beskrivna
metoderna
åstadkommer.
Dock
förbrukar
dessa
metoder
både
mer
energi
och
mer
material
än
pulvermetallurgi,
vilket
leder
till
att
de
bidrar
till
högre
tillverkningskostnader.42
Även
vid
dessa
tillverkningsmetoder
går
det
att
styra
det
tillverkade
kugghjulets
slutliga
egenskaper
genom
att
variera
stållegeringens
komponenter.
3.1.
Kugghjulstillverkning
genom
maskinell
behandling
av
smitt
stål
Denna
metod
går
i
korta
drag
ut
på
att
en
ståltacka
hettas
upp
till
en
temperatur
nära
dess
smältpunkt.
Denna
tacka
formges
sedan
genom
maskinell
behandling
med
hjälp
av
verktyg
som
hammare,
press
eller
ringrullningsmaskin.
För
att
sedan
skapa
mer
komplexa
former,
som
till
exempel
kuggar,
krävs
ytterligare
maskinell
behandling,
som
till
exempel
fräsning
eller
andra
former
av
utskärning.43
En
viktig
konsekvens
av
den
bearbetning
och
den
formningspåverkan
som
artikeln
utsätts
för
är
att
materialet
blir
anisotropiskt,
vilket
innebär
att
direktionalitet
uppstår
i
materialet.
Med
detta
menas
att
det
uppkommer
något
som
kan
liknas
vid
fibrer
i
materialet
som
leder
till
att
hållfastheten
skiljer
sig
åt
i
olika
riktningar.
Materialets
styrka
längs
med
fiberriktningen
ökas,
medans
styrkan
och
hållbarheten
i
vinkelrät
riktning
mot
fiberriktningen
försämras.44,
45
Figur
10
och
figur
11
ger
ett
exempel
på
hur
detta
kan
se
ut,
både
teoretiskt
och
ur
verkligheten.
Att
anpassa
bearbetningen
av
en
komponent
så
att
den
direktionalitet
som
uppstår
är
riktad
så
att
komponenten
får
en
optimal
anpassning
för
de
belastningar
som
den
kommer
utsättas
för
är
därför
väldigt
viktigt.
Beroende
på
hur
kugghjulen
tillverkats
kan
direktionaliteten
uppstå
på
olika
sätt
och
kugghjul
tillverkade
av
samma
råmaterial
kan
därför
prestera
olika
i
en
viss
applikation.
Figur
10:
Teoretisk
bild
av
hur
Figur
11:
Fiberflöde
och
direktionalitet
i
en
direktionalitetsfibrer
i
ett
föremål
av
smidd
krankrok.
47
bearbetat
smitt
stål
kan
vara
riktade.46
16
3.2.
Kugghjulstillverkning
genom
formgjutning
av
stål
Kugghjulstillverkning
genom
gjutningsteknik
är
till
en
början
väldigt
lik
smidesmetoden.
Även
här
används
en
smält
stållegering
med
olika
sammansättning
beroende
på
vilka
egenskaper
den
färdiga
artikeln
ska
ha.
Det
smälta
stålet
formges
genom
att
det
tillåts
stelna
i
en
gjutform.
Vid
tillverkning
med
hjälp
av
formgjutning
bildas
heller
ingen
direktionalitet
i
materialet,
vilket
innebär
att
de
mekaniska
egenskaperna
är
lika
oavsett
vilken
riktning
en
belastning
verkar
ifrån.
Den
gjutform
som
används
kan
till
exempel
vara
en
återanvändbar
metallform,
eller
en
sandform
som
förkastas
efter
användning.
Tillverkning
med
hjälp
av
en
metallform
ger
kugghjul
med
relativt
sett
välbehandlad
och
slät
yta
och
relativt
god
dimensionell
noggrannhet
medans
däremot
tillverkningskostnaderna
är
relativt
höga,
eftersom
metallformen
är
jämförelsevis
dyr
att
tillverka.
Denna
metod
lämpar
sig
därför
väl
för
större
volymer.48
Metoden
med
sandform
sker
däremot
genom
att
sand
formas
enligt
den
önskade
kugghjulsformen.
Den
blandas
med
ämnen
som
gör
att
det
håller
samman
under
den
tid
det
tar
för
stålet
att
stelna.
Detta
innebär
att
det
genom
användning
av
denna
metod
går
att
skapa
artklar
med
mer
komplexa
geometrier
utan
att
behöva
genomföra
någon
ytterligare
behandling.
Sandformgjutna
kugghjul
kännetecknas
av
mindre
släta
ytor
och
sämre
dimensionell
noggrannhet,
fast
med
lägre
tillverkningskostnader,
då
sandformerna
är
relativt
billiga
att
tillverka.
Därför
lämpar
sig
denna
typ
av
tillverkning
för
kugghjul
med
lägre
krav
på
hållfasthet
och
noggrannhet
och
med
mindre
produktionsvolymer.49
17
4 Empiriska
data
Efter
denna
ingående
genomgång
av
den
pulvermetallurgiska
tillverkningsprocessen
kommer
den
resterande
delen
av
rapporten
att
fokusera
på
huruvida
processen
är
lämplig
som
tillverkningsmetod
för
kugghjul
med
höga
krav
på
hållfasthet
och
livslängd,
såsom
kraftöverförande
kugghjul
i
lastbilars
växellådor.
Det
finns
väldigt
många
faktorer
som
påverkar
graden
av
lämplighet,
vilket
gör
att
ett
entydigt
svar
därför
kan
vara
svårt
att
åstadkomma.
Den
datainsamling
som
genomförts
utgörs
av
två
delar.
Den
första
delen
bygger
på
genomgångar
av
tre
fallstudier
och
den
andra
delen
på
en
intervju
genomförd
med
Erik
Sandqvist,
anställd
på
Scania.
De
tre
fallstudierna
behandlar
empiriska
tester
av
PM‐kompononenter
som
har
tillverkats
på
skilda
sätt
eller
utsatts
för
olika
sorters
efterbehandlingsmetoder.
Man
testade
bland
annat
komponenternas
livslängd
och
hårdhet.
De
olika
tillvägagångssätten
jämfördes
sedan
med
varandra
utifrån
testresultaten,
för
att
avgöra
vilken
metod
som
ger
bäst
resultat
Alla
tre
fallstudierna
innefattar
även
tester
av
komponenter
tillverkade
av
solitt
stål.
Resultaten
av
dessa
tester
fungerade
som
referensvärden
och
användes
till
att
göra
en
jämförelse
mellan
de
testade
PM‐metoderna
och
de
alternativa
tillverkningsmetoder
som
finns.
Valet
av
vilka
fallstudier
som
togs
i
betraktande
baserades
på
att
deras
resultat
var
relevanta
för
att
kunna
ta
fram
ett
svar
till
den
uppställda
frågeställningen.
Intervjun
med
Erik
Sandqvist
syftade
till
att
ytterligare
undersöka
lämpligheten
i
att
använda
PM‐teknologi
för
att
tillverka
till
det
redan
nämnda
användningsområdet.
Ett
delsyfte
med
intervjun
var
att
särskilt
belysa
eventuella
negativa
sidor
och
nackdelar
med
teknologin,
vilka
skulle
kunna
göra
den
olämplig
som
tillverkningsmetod
av
kugghjul
till
det
aktuella
området.
4.1.
Fallstudie
1:
High
Performance
Gears
for
Heavy
Duty
Transmission50
4.1.1.
Syfte
och
metod
Den
första
fallstudien
är
baserad
på
en
undersökning
gjord
i
Höganäs
och
Scanias
regi.
Undersökningen
gick
ut
på
att
jämföra
fyra
kugghjulstillverkningstekniker,
av
vilka
tre
var
PM‐tekniker
och
den
fjärde
en
teknik
som
byggde
på
maskinell
bearbetning,
som
betraktades
som
referensvärde.
Jämförelsen
skedde
genom
att
ett
kugghjul
tillverkades
med
var
och
en
av
teknikerna,
som
tester
sedan
utfördes
på.
Det
utvalda
kugghjulet
var
ett
planetkugghjul
från
en
växellåda
tillhörande
en
tung
lastbil
tillverkad
av
Scania.
Se
bilaga
A‐1
för
kugghjulens
dimensioner.
De
fyra
metoderna
som
undersöktes
var
följande:
Konventionell
pressning
och
sintring
(1),
Varmpressning
och
sintring
(2),
konventionell
pressning,
sintring
och
ytförtätning
(3)
(se
avsnitt
2.3.4.2.)
och
maskinell
behandling
och
utskärning
ur
solitt
stål.
Materialen
skiljde
sig
åt
mellan
de
olika
metoderna.
Se
bilaga
A‐2
och
bilaga
A‐3
för
denna
information.
Efter
tillverkningen
härdades
alla
fyra
testkugghjulstyper
genom
uppkolning
(carburization)
för
att
ytterligare
stärka
kuggytorna.
Målet
var
att
skapa
ett
förstärkt
ytskikt
som
sträckte
sig
0.7‐1.2
mm
in
i
materialet.
Själva
undersökningen
gick
ut
på
att
analysera
effekten
av
ythärdningen,
utmattningstesta
kuggrötterna
(testet
pågick
under
2
miljoner
arbetscykler)
och
undersöka
eventuella
kvarvarande
spänningar
orsakade
av
ythärdningen.
18
4.1.2.
Resultat
Resultaten
återfinns
i
grafiskt
format
som
bilagor.
Ythärdning
(Bilaga
A­4)
Detta
test
mätte
Vickers‐hårdheten
som
funktion
av
det
härdade
ytskiktets
djup
i
mm.
Resultatet
visar
att
det
konventionellt
pressade
kugghjulet
(variant
1)
blev
genomhärdat
eftersom
hårdheten
ligger
på
ungefär
samma
nivå
över
hela
testdjupet.
Det
önskade
härdningsdjupet
överskreds
alltså.
Detta
kugghjul
hade
en
densitet
på
7.01g/cm3.
Det
varmpressade
kugghjulets
(variant
2)
kurva
påvisar
däremot
ett
härdningsdjup
på
1.1
mm,
vilket
låg
inom
den
önskade
utsträckningen.
Densiteten
för
det
varmpressade
kugghjulet
hamnade
på
7.44g/cm3.
Dock
är
den
maximala
hårdheten
märkbart
lägre
än
referensvärdet
från
stålet.
För
det
sista
PM‐kugghjulet,
det
”surface
densified”
(variant
3)
är
ytdjupet
på
1.2
mm,
alltså
även
det
inom
de
angivna
specifikationerna.
Densiteten
för
denna
variant
är
7.15g/cm3,
fast
hårdheten
i
ytan
ligger
dock
över
motsvarande
värde
för
referenskugghjulet.
Utmattningstest
för
kuggrötter
(Bilaga
A­5)
Testet
mätte
spänningen
som
funktion
av
antalet
arbetscykler.
Ur
resultatet
för
detta
test
går
det
att
avläsa
att
det
ytförtätade
kugghjulen
(variant
3)
erhöll
den
högsta
uthållighetsgränsen
på
33
kN,
vilket
var
lite
över
referenskugghjulets
resultat,
vilket
var
31
kN.
Uthållighetsgränsen
för
de
två
övriga
kugghjulen
kunde
inte
erhållas,
då
testcyklerna
inte
kunde
slutföras.
Man
ser
dock
att
varmpressning
(variant
2)
erhöll
ett
högre
värde
än
det
konventionellt
pressade
kugghjulet
(variant
1),
något
som
tros
bero
på
den
högre
densiteten
hos
det
tidigare
kugghjulet.
Residuala
spänningar
(Bilaga
A­6)
I
detta
test
mättes
residuala
spänningar
som
funktion
av
ytdjupet.
Resultatet
visar
residuala
spänningar
vid
kugghjulens
ytor.
Om
den
residuala
spänningen
har
ett
positivt
värde
utgör
den
en
tryckspänning
och
omvänt
så
innebär
ett
negativt
värde
en
sammanpressande
dragspänning.
Sammanpressande
spänningar
förbättrar
motståndet
mot
utmattning.
För
det
konventionellt
pressade
kugghjulet
(variant
1)
uppkom
endast
väldigt
svaga
sammanpressande
spänningar
tätt
inpå
ytan.
Detta
kan
förklaras
av
den
jämna
hårdheten
som
observerades
i
den
första
grafen.
Hos
både
det
varmpressade
kugghjulet
(variant
2)
och
hos
det
ytförtätade
kugghjulet
(variant
3)
förekom
sammanpressande
spänningar,
vilka
var
störst
hos
variant
3.
Hos
stålreferensen
uppkom
istället
en
tryckande
spänning
precis
vid
ytan,
som
sedan
snabbt
övergick
till
att
bli
sammanpressande.
4.1.3.
Diskussion
och
slutsats
Resultatet
av
utmattningstestet
för
den
konventionellt
pressade
varianten
var
inte
särskilt
övertygande
i
jämförelse
med
de
övriga
resultaten.
Detta
tros
i
fallstudien
bero
delvis
på
avsaknaden
av
residuala
spänningar
men
också
på
låg
ythårdhet
och
på
en
relativt
sett
låg
densitet.
Det
varmpressade
kugghjulet
uppvisade
ett
bättre
resultat
vid
utmattningstestet,
något
som
tillskrivs
en
högre
densitet
och
residuala
sammanpressande
spänningar
i
ytan.
Dess
hållfasthet
tros
kunna
förbättras
om
ythårdheten
kunde
öka
ytterligare,
till
exempel
genom
användandet
av
ett
värmebehandlingsförfarande
bättre
anpassat
till
det
aktuella
materialet.
För
det
ytförtätade
kugghjulet
så
noterades
en
ytdensitet
på
samma
nivå
som
den
hos
19
kugghjulet
av
solitt
stål.
Eftersom
den
högsta
spänningen
på
ett
belastat
kugghjul
återfinns
i
den
belastade
kuggens
yta
så
kan
alltså
kugghjulets
kapacitet
ökas
ytterligare
genom
att
höja
densiteten
i
och
precis
innanför
ytan.
En
sådan
densitetshöjning
minskar
antalet
porer
i
ytan,
vilket
bidrar
till
att
öka
kugghjulets
hållbarhet
eftersom
sprickor
och
brott
har
lättare
att
uppstå
i
ojämnheter.
Av
dessa
anledningar
visade
det
ytförtätade
kugghjulet
upp
ett
bättre
testresultat
jämfört
med
de
andra
PM‐metoderna.
Resultatet
av
testerna
visar
alltså
att
en
artikel
med
lägre
inre
densitet
men
vars
yta
har
förtätats
(variant
3)
kan
utstå
ett
större
antal
belastningscykler
än
en
artikel
med
en
högre
inre
densitet
som
är
homogen
över
hela
artikeln.
En
sammanfattad
slutsats
för
fallstudie
1
är
alltså
att
kombinationen
av
bearbetningsmetoderna
ythärdning
och
ytförtätning
på
PM‐kugghjul
ger
upphov
till
en
artikel
med
mekaniska
egenskaper
motsvarande
de
hos
kugghjul
tillverkade
av
smitt
stål.
4.2.
Fallstudie
2:
Bending
Fatigue
of
Surface
Densified
Gears51
4.2.1.
Syfte
och
metod
Denna
studie
gick
ut
på
att
testa
hur
skador
på
kugghjul
utvecklas
genom
att
undersöka
böjutmattningsgränsen
och
hur
man
kan
påverka
denna
gräns
genom
att
variera
ytförtätningsdjupet.
Syftet
var
att
ta
reda
på
huruvida
ny
utveckling
inom
ytförtätning
kan
göra
det
möjligt
att
till
växellådor
inom
fordonsindustrin
ersätta
smidda
kugghjul
med
ytförtätade
PM‐kugghjul.
Test
utfördes
på
två
kugghjul
tillverkade
av
metallpulvret
DM‐222
enligt
konventionell
PM‐teknik
med
efterföljande
ytförtätningsbehandling
(Variant
1
och
2)
och
på
ett
kugghjul
tillverkat
av
stållegeringen
AISI
8620,
som
sedan
formades
maskinell
bearbetning
(Variant
3).
Testresultaten
för
detta
kugghjul
utgjorde
referensvärden
för
testet.
För
närmare
materialspecifikationer,
se
bilaga
B‐1.
Alla
kugghjulen
härdades
ytterligare
efter
tillverkning
genom
härdningsbehandling,
med
målet
att
skapa
ett
härdat
skikt
på
0.6
till
0.8
mm.
Behandlingstiden
var
samma
för
alla
tre
varianterna.
De
tillverkade
kugghjulens
geometri
finns
återgiven
i
bilaga
B‐2.
PM‐kugghjulen
ytförtätades
så
att
det
ena
(Variant
1)
erhöll
en
djupare
förtätning
(>0.20
mm)
och
det
andra
(Variant
2)
en
grundare
(<0.10
mm).
Två
tester
genomfördes.
Vid
det
första
testades
en
enskild
kugg
genom
att
den
utsattes
för
ett
konstant
tryck.
Vid
det
andra
sattes
två
kugghjul
i
ingrepp,
vardera
påverkade
av
ett
konstant
vridmoment.
I
båda
fallen
stoppades
testet
efter
107
cykler
och
det
ansågs
vara
lyckat
om
den
testade
kuggen
inte
hade
brustit.
4.2.2.
Resultat
Genom
kvantitativ
bildanalys
av
resultatet
av
ytförtätningen
erhölls
att
kugghjulet
med
djupare
förtätning
(Variant
1)
erhåller
en
ytdensitet
på
precis
över
7.8
g/cm3,
medan
ytdensiteten
för
kugghjulet
med
grundare
förtätning
(Variant
2)
hamnar
på
cirka
7.7
g/cm3.
Densiteten
sjunker
sedan
längre
in
i
materialet.
Resultatet
är
illustrerat
i
bilaga
B‐3.
Både
yttförtätningen
och
ythärdningen
bidrog
till
en
förhöjd
ythårdhet,
i
samband
med
densitetsökningen.
Detta
gav
i
sin
tur
upphov
till
residuala
spänningar.
Med
hjälp
av
röntgendiffraktion
kunde
dessa
spänningar
i
kuggroten
uppmätas.
Resultatet
finns
i
bilaga
B‐4.
Både
PM‐kugghjulen
och
referenskugghjulet
uppvisar
likartade
och
kraftigt
sammanpressande
residuala
spänningar
precis
under
ytan.
20
Utmattningsgräns
för
enskild
kugg
(Bilaga
B­5)
Resultatet
av
det
första
testet
visar
att
utmattningsgränsen
för
en
enskild
kugg
på
kugghjulet
med
djup
surface
densification
(Variant
1)
till
stor
del
liknar
gränsen
hos
referenskugghjulet.
Båda
varianternas
maximala
utmattningsspänning
sjunker
i
takt
med
att
antalet
cykler
ökar.
Dock
planar
spänningskurvorna
ut
runt
1100
MPa
och
båda
varianterna
nådde
avbrytningsgränsen
på
107
cykler
kring
detta
värde.
Utmattningsgräns
för
kuggar
i
ingrepp
Tester
utfördes
genom
att
två
kugghjul
sattes
i
ingrepp
med
varandra
och
drevs
mot
varandra
med
ett
bestämt
vridmoment.
De
kombinationer
som
testades
var
det
djupt
ytförtätade
kugghjulet
mot
referenskugghjulet
och
det
djupt
mot
det
grunt
ytförtätade
kugghjulet.
Resultatet
av
den
första
jämförelsen
visar
ett
svagt
övertag
för
referenskugghjulet.
Vid
en
böjspänning
strax
under
1,000
MPa
hade
det
ytförtätade
kugghjulet
ändå
en
livslängd
på
över
10
miljoner
cykler.
Detta
finns
återgivet
i
bilaga
B‐
6.
Vid
jämförelse
mellan
resultatet
för
de
två
PM‐kugghjulen
framkommer
att
kugghjulets
förmåga
att
ta
upp
last
försämras
vid
alla
testade
vridmoment
när
djupet
som
är
ytförtätat
minskas.
Detta
är
illustrerat
i
bilaga
B‐7.
4.2.3.
Diskussion
och
slutsats
4.3.
Fallstudie
3:
Rolling
Contact
Fatigue
Performance
Contrasting
Surface
Densified,
Powder
Forged,
and
Wrought
Materials52
4.3.1.
Syfte
och
metod
Enligt
resultatet
kan
PM‐kugghjul
med
större
förtätningsdjup
(>
200
µm)
uppnå
en
utmattningsgräns
som
närmar
sig
den
för
härdat
smitt
stål
AISI
8620
vid
spänningar
på
drygt
1000
MPa.
Däremot
tydliggjordes
att
kugghjul
med
grundare
ytförtätning
(<
100
µm)
inte
klarar
av
den
sortens
belastning.
Som
slutsats
av
resultatet
av
denna
fallstudie
dras
att
det
är
möjligt
att
öka
utmattningsgränsen
för
böjspänning
hos
ytförtätade
PM‐
kugghjul
genom
att
välja
ett
större
förtätningsdjup.
Den
tredje
fallstudien
byggde
även
den
på
att
undersöka
och
utvärdera
lämpligheten
i
att
använda
kugghjul
tillverkade
med
PM‐teknik
till
växellådor
inom
fordonsindustrin.
Syftet
var
att
undersöka
hur
utmattningsgränsen
för
material
som
PM‐kugghjul
tillverkas
av
ändrades
beroende
på
belastningen
och
sedan
se
hur
detta
resultat
förhöll
sig
till
utmattningsgränsen
för
smitt
stål
vid
samma
belastning.
Ytterligare
ett
syfte
var
att
jämföra
olika
ythärdningsmetoder
och
deras
effekt
på
materialets
livslängd.
Själva
testet
utfördes
inte
på
kugghjul,
utan
testdetaljer
tillverkades,
på
vilka
sedan
testerna
utfördes.
Eftersom
testerna
var
utformade
på
ett
annat
sätt
så
utelämnas
exakta
resultat
eftersom
de
inte
är
direkt
jämförbara
med
resultaten
från
de
två
tidigare
fallstudierna.
Detaljerna
tillverkades
genom
att
en
utvald
pulvermix
FLN2‐4405
pressades
och
sintrades.
Hälften
av
detaljerna
sintrades
med
en
högre
temperatur
(1260
°C)
och
den
andra
hälften
med
en
lägre
temperatur
(1120
°C).
Sedan
behandlades
alla
detaljerna
enligt
pulvergjutningsmetoden
(Se
avsnitt
2.3.3.1)
för
att
ytterligare
härda
och
forma
dem.
Därefter
genomgick
detaljerna
en
maskinell
ytbehandling
för
att
skapa
en
jämnare
yta
och
slutligen
genomgick
de
en
härdningsprocess
för
att
öka
ytdensiteten
och
hållfastheten
i
detaljerna.
Som
referens
tillverkades
även
föremål
av
smitt
stål
AISI
8620.
Dessa
detaljer
genomgick
samma
härdningsprocess
som
alla
PM‐
detaljen
i
testet,
för
att
kunna
avgöra
vilken
effekt
denna
process
hade
på
de
olika
21
materialens
utmattningsgränser.
De
tillverkade
detaljerna
testades
sedan
för
utmattningsgräns
på
grund
av
rullningskontakt,
enligt
standardiserade
metoder.
Hårdheten
i
materialen
fastställdes
även,
genom
prover
utförda
enligt
Vickers‐
principen.
4.3.2.
Resultat
För
att
kunna
jämföra
olika
ythärdningsmetoder
inkluderades
även
resultatet
från
en
tidigare
genomförd
fallstudie.
Båda
studierna
genomfördes
på
liknande
sätt.
I
den
tidigare
studien
undersöktes
metoden
ytförtätning
både
med
och
utan
extra
materialhärdning.
Testdetaljerna
till
den
undersökningen
tillverkades
genom
normal
pressning
och
sintring
med
efterföljande
mekanisk
ytförtätning.
Pulverblandningen
FLN2‐4405
användes
även
till
dessa
detaljer.
Alla
prover
testades
vid
en
högre
(2500
MPa)
och
en
lägre
spänningsnivå
(1900/2000
MPa).
Utmattningstestets
resultat
redovisas
i
form
av
den
livslängd
som
50
procent
av
detaljerna
uppnådde
vid
angiven
belastning
och
återfinns
i
bilaga
C‐1.
De
ytförtätade
detaljerna
är
benämda
SD
och
de
som
genomgått
extra
härdning
är
benämnda
annealed
i
bilagan.
Resultatet
för
detaljerna
tillverkade
av
referensstål
var
cirka
20
miljoner
cykler
vid
2000
MPa
och
4.2
miljoner
cykler
vid
2500
MPa.
De
detaljer
som
tillverkats
med
pulvergjutningstekniken
fick
för
de
båda
testade
sintringstemperaturerna
ett
resultat
på
13
miljoner
cykler
vid
1900
MPa
och
2.1
miljoner
cykler
vid
2500
MPa.
De
ytförtätade
detaljerna
fick
relativt
spridda
resultat,
av
vilka
det
som
sintrats
vid
en
högre
temperatur
och
genomgått
ytterligare
härdningsbehandling
presterade
bäst,
med
ett
resultat
på
19
miljoner
cykler
vid
1900
MPa
men
bara
1.7
miljoner
cykler
vid
2500
MPa.
Testdetaljen
av
smitt
stål
(AISI
8620)
undersöktes
även
för
att
finna
eventuell
direktionalitet
som
kan
ha
uppkommit
vid
tillverkning.
Tester
som
undersökte
dess
mekaniska
egenskaper
i
både
den
huvudsakliga
arbetsriktningen
(longitudinell
riktning)
och
i
en
riktning
vinkelrät
mot
den
longitudinella
riktningen
(transversal
riktning)
utfördes.
I
detta
test
framkom
att
en
distinkt
skillnad
mellan
dessa
två
riktningar
fanns.
De
pulvermetallurgiskt
tillverkade
detaljerna
uppvisar
ingen
inre
direktionalitet,
på
grund
av
att
de
tillverkades
under
isotropiskt
tryck.
Resultaten
för
detta
test
finns
i
bilaga
C‐2.
Tester
av
ythårdheten
utfördes
på
den
pulvergjutna
testdetaljen
och
på
detaljen
av
solitt
stål.
Båda
testerna
utfördes
efter
att
detaljerna
även
härdats.
Resultaten
är
redovisade
i
Vickers‐hårdhet.
Testet
av
detaljen
av
solitt
stål
påvisade
att
det
i
detta
material
formats
ett
ytskikt
med
märkbart
högre
hårdhet
än
i
detaljens
inre
och
det
fullständiga
resultatet
återfinns
i
bilaga
C‐3.
Testet
av
den
pulvergjutna
detaljen
kunde
däremot
inte
uppvisa
någon
sådan
hårdhetsskillnad.
Resultatet
för
detta
test
finns
i
bilaga
C‐4
Detta
tros
bero
på
att
den
pulvergjutna
detaljen
har
genomhärdats.
4.3.3.
Diskussion
och
slutsats
Vid
en
jämförelse
mellan
undersökningsresultatet
för
artiklarna
som
har
tillverkats
antingen
enligt
pulvergjutningsförfarandet
(variant
1)
eller
med
normal
sintring
och
efterföljande
ytförtätning
och
härdning
(variant
2)
framkommer
att
den
senare
av
dessa
två
har
en
markant
längre
livslängd
vid
den
lägre
spänningen
men
en
något
kortare
livslängd
vid
den
högre
spänningen.
Detta
indikerar
att
den
senare
av
dessa
två
kan
lämpa
sig
bättre
för
fall
av
höga
spänningar
och
krav
på
lång
livslängd.
Dock
överträffar
ingen
av
de
två
varianterna
resultatet
för
detaljen
av
smitt
stål.
Variant
2
närmar
sig
referensvärdet
vid
den
lägre
spänningen
men
när
spänningen
höjs
ökar
skillnaden.
Den
22
pulvergjutna
variant
1
ligger
markant
under
referensvärdet
vid
både
den
lägre
och
den
högre
spänningen.
I
studien
framställs
faktumet
att
variant
1
verkar
ha
genomhärdats
som
en
möjlig
förklaring
till
varför
den
får
ett
så
pass
sämre
resultat.
En
skillnad
i
densitet
och
hårdhet
mellan
att
föremåls
yta
och
innandöme
och
de
inre
sammanpressande
spänningarna
en
sådan
skillnad
ger
upphov
till
tros
därför
ha
en
positiv
inverkan
på
föremålets
livslängd.
Den
funna
direktionaliteten
som
uppkommer
vid
tillverkning
i
smitt
stål
kan
medföra
negativa
konsekvenser
om
den
inte
tas
i
beaktande
vid
fastläggande
av
livslängder
beroende
på
beräknad
belastning.
Särskilt
utmattningsgräns
och
stöttålighet
visade
sig
vara
extra
riktningskänsliga.
Om
endast
en
artikels
longitudinella
egenskaper
tas
med
i
beräkningarna,
trots
att
den
även
utsätts
för
krafter
i
transversal
riktning
så
kan
detta
leda
till
oförutsedda
brott
och
haverier.
Resultatet
pekar
alltså
på
att
PM‐kugghjul
inte
riktigt
kan
konkurrera
med
kugghjul
av
smitt
stål
vid
så
pass
höga
påfrestningar
som
testats
i
denna
fallstudie.
Dock
framhålls
PM‐kugghjulens
isotropiska
egenskaper
som
en
fördel
eftersom
det
ger
en
större
förutsägbarhet
om
hur
materialets
mekaniska
egenskaper
i
olika
rikningar
blir.
4.4.
Implikationer
från
intervju
Intervjun
genomfördes
på
Scania,
en
av
Sveriges
största
lastbilstillverkare.
Där
intervjuades
Erik
Sandqvist,
chef
för
avdelningen
för
materialteknologi
för
axlar
och
transmission.
Erik
Sandqvist
berättade
att
pulvermetallurgi
över
huvud
taget
inte
brukades
för
tillverkning
av
kugghjul
till
växellådor
i
Scanias
lastbilar.
Istället
tillverkas
i
dagsläget
kugghjul
till
detta
användningsområde
genom
maskinell
bearbetning
och
härdning
av
smitt
stål.
Flertalet
undersökningar
har
gjorts
i
Scanias
regi,
för
att
utvärdera
och
undersöka
huruvida
olika
varianter
av
PM‐teknologin
skulle
kunna
utgöra
ett
relevant
alternativ
till
den
nuvarande
tillverkningsmetoden
och
leva
upp
till
de
hållfasthetskrav
som
finns.
Enligt
Erik
Sandqvist
hade
dessa
undersökningar
uppvisat
varierande
resultat,
där
vissa
metoder
framstod
som
bättre
och
andra
som
sämre.
Dock
hade
inga
sådana
undersökningar
kunnat
påvisa
tillräckligt
starka
argument
för
att
PM‐
kugghjul
skulle
kunna
leverera
tillräcklig
prestanda
för
att
det
skulle
bedömas
vara
mer
lönsamt
för
Scania
att
ställa
om
sin
kugghjulstillverkning
från
dagens
till
den
pulvermetallurgiska
tillverkningstekniken.
Enligt
Erik
Sandqvist
fanns
det
inget
definitivt
svar
på
varför
PM‐kugghjulen
inte
levde
upp
till
de
krav
som
ställs
på
ett
kugghjul
i
en
växellåda.
En
möjlig
förklaring
kunde
vara
de
porer
som
uppstår
i
samband
med
att
en
komponent
tillverkas
med
pulvermetallurgi.
Dessa
porer
utgörs
av
små
utrymmen
som
finns
kvar
mellan
pulverpartiklarna,
även
efter
sammanpressning
och
sintring.
De
finns
både
inuti
materialet
och
på
dess
yta.
Det
är
huvudsakligen
porerna
vid
ytan
som
kan
leda
till
problem.
Porer
och
andra
ojämnheter
i
ytan
kan
försämra
ett
materials
hållfasthet
och
livslängd,
eftersom
sprickbildning
i
samband
med
påfrestningar
lättare
kan
initieras
i
anslutning
till
sådana
inhomogeniteter
än
i
en
slät
yta.
Enligt
Erik
Sandqvist
antydde
undersökningarnas
resultat
att
det
förmodligen
alltid
skulle
finnas
en
liten
mängd
porer
kvar
i
ytan
på
en
PM‐tillverkad
artikel
även
om
den
genomgått
olika
efterbehandlingstekniker,
vilket
då
skulle
ge
PM‐tillverkningsmetoden
en
ständig
nackdel
i
jämförelse
med
andra
tillverkningsmetoder.
Erik
Sandqvist
framhöll
att
det
i
slutändan
är
den
metod
som
förväntas
ge
störst
ekonomisk
vinning
som
väljs.
Han
påpekade
dock
att
när
det
gäller
kugghjul
till
23
växellådor
har
man
på
Scania
hittills
inte
sett
det
som
ekonomiskt
försvarbart
att
genomföra
en
sådan
omställning
till
komponenter
av
eventuellt
lägre
kvalitet.
Enligt
Erik
Sandqvist
är
det
inte
bara
Scania
som
kommit
fram
till
denna
slutsats,
utan
andra
företag
inom
branschen
använder
sig
inte
heller
av
pulvermetallurgi
som
tillverkningsmetod
för
kugghjul
till
växellådor.
Dock
var
han
noga
med
att
poängtera
att
PM‐teknologi
dock
kunde
användas
som
tillverkningsmetod
för
många
andra
typer
av
komponenter
till
lastbilar,
även
kugghjul
som
sitter
på
andra
ställen
än
i
växellådorna.
24
5 Analys
av
resultat
5.1.
Analys
Det
är
en
något
tudelad
bild
av
den
eventuella
lämpligheten
som
målas
upp
av
fallstudierna
respektive
intervjun.
Fallstudierna
gör
klart
att
det
med
hjälp
av
de
utprovade
PM‐tillvägagångssätten
är
möjligt
att
producera
kugghjul
som
kan
utstå
hög
belastning
under
många
arbetscykler.
Studieförfattarna
argumenterar
i
alla
fall
delvis
för
att
de
testade
metoderna
skulle
kunna
producera
kugghjul
som
skulle
kunna
utstå
de
påfrestningar
som
kan
uppmätas
i
en
lastbils
växellåda.
Ytterligare
en
fördel
med
PM‐
teknologin
är
den
minimala
mängd
materialspill
som
uppkommer
under
processens
gång,
vilket
sänker
de
totala
tillverkningskostnaderna.
En
vidare
aspekt
är
den
inneboende
direktionalitet
som
kan
uppkomma
i
kugghjul
som
formats
genom
maskinell
bearbetning,
vilket
påvisades
i
fallstudie
tre.
Pulvermetallurgiskt
tillverkade
material
är
istället
isotropiska,
något
som
också
redovisades
i
den
redan
nämnda
studien.
Det
innebär
att
ett
material
är
mekaniskt
sett
lika
i
alla
riktningar,
vilket
är
en
fördel
eftersom
det
underlättar
dynamisk
belastning.
Detta
till
trots,
så
framstår
inte
resultaten
som
särskilt
övertygande
i
jämförelsen
med
värdena
från
testerna
av
de
kugghjul
och
detaljer
av
smitt
stål
som
fungerade
som
referens.
Jämförelsen
ur
fallstudie
1
påvisar
en
viss
fördel
för
PM‐kugghjulet
över
referensvärdet
när
det
gäller
livslängd,
medans
den
andra
fallstudien
anger
att
PM‐
kugghjulet
i
jämförelse
med
referenvärden
har
en
längre
livslängd
i
den
ena
undersökningen,
men
inte
i
den
andra.
I
den
tredje
och
sista
fallstudien
jämförs
flera
olika
PM‐tekniker,
men
ingen
av
dem
verkar
kunna
överträffa
resultatet
för
referensstålet.
Det
är
därför
svårt
att
komma
till
en
slutsats
bara
utifrån
fallstudierna.
Intervjun
med
Erik
Sandqvist
gav
informationen
att
det
kan
vara
så
att
det
nästan
inte
går
att
uppnå
ett
så
pass
porfritt
material
med
hjälp
av
pulvermetallurgi
eftersom
det
är
svårt
att
sammanpressa
eller
på
annat
sätt
öka
densiteten
så
pass
mycket
att
alla
porer
verkligen
försvinner.
Detta
skulle
kunna
vara
en
förklaring
till
att
man
på
Scania
inte
ansett
det
vara
lönsamt
att
byta
produktionsteknik
av
kugghjul
till
pulvermetallurgi.
Densiteten
för
det
använda
referensstålet
AISI
8620
ur
fallstudie
2
och
3
ligger
på
7.85
g/(cm3)
53,
54.
I
fallstudie
1
användes
SS
92506,
med
en
densitet
på
7.9
g/cm3.
Båda
densitetsvärdena
är
högre
än
vad
någon
av
de
olika
PM‐metoderna
kunnat
uppbåda.
Det
betyder
att
dessa
båda
stålsorter
har
färre
och
mindre
porer
och
har
därför
svårare
att
drabbas
av
brott
eftersom
den
ytojämnhet
som
en
por
utgör
ofta
kan
vara
en
bidragande
orsak
till
att
ett
brott
sker.
Detta
stöder
ytterligare
teorin
om
att
pulvermetallurgin
har
svårt
att
producera
kugghjul
som
kan
konkurrera
med
konventionellt
tillverkade
kugghjul
till
lastbilars
växellådor.
5.2.
Implikationer
från
analysen
Pulvermetallurgi
framstår
i
denna
rapport
som
en
attraktiv
teknologi
tack
vare
de
goda
möjligheterna
till
kostnadsinsparning
som
den
möjliggör,
särskilt
i
relation
till
andra
jämförbara
tillverkningstekniker.
Baserat
på
studiens
resultat
ser
det
dock
ut
som
att
utvecklingen
av
de
pulvermetallurgiska
processerna
ännu
inte
riktigt
har
nått
till
den
nivån
att
metoden
helt
kan
ersätta
de
nuvarande
tillverkningsmetoderna.
Dock
kan
detta
ändras.
Det
är
därför
av
stor
vikt
för
en
aktör
inom
lastbilsindustrin
att
bevaka
pulvermetallurgins
utveckling
för
att
snabbast
möjligt
få
veta
ifall
denna
teknologi
har
utvecklats
så
pass
mycket
att
den
kan
vara
en
applicerbar
metod
för
att
tillverka
25
kugghjul
med
tillräckligt
goda
mekaniska
egenskaper
för
att
kunna
användas
i
lastbilars
växellådor.
Genom
att
återkoppla
detta
resultat
till
rapportens
syfte
framstår
det
som
att
pulvermetallurgi
i
dagsläget
inte
är
en
lämplig
tillverkningsmetod
för
kugghjul
till
applikationer
som
med
avseende
på
livslängds‐
och
hållfasthetskrav
kan
liknas
vid
den
ovan
undersökta.
Klart
är
trots
allt
att
pulvermetallurgi
är
en
väldigt
användbar
tillverkningsteknologi
tack
vare
en
materialåtgång
som
i
de
flesta
fall
knappt
överstiger
den
slutliga
produktens
materialvolym.
Denna
väldigt
låga
mängd
av
spillmaterial
gör
att
pulvermetallurgisk
tillverkning
kan
genomföras
till
en
lägre
kostnad
än
många
andra
tekniker,
eftersom
materialkostnaderna
blir
lägre.
Därför
fortsätter
den
att
vara
en
attraktiv
tillverkningsmetod
för
kugghjul
och
andra
maskinkomponenter,
trots
olämpligheten
rörande
den
undersökta
applikationen.
Ytterligare
en
viktig
poäng
i
detta
sammanhang
är
att
det
som
i
slutändan
bör
avgöra
valet
av
tillverkningsmetod
för
ett
företag
är
vilken
metod
som
förväntas
producera
maximal
ekonomisk
vinning.
Det
skulle
teoretisk
kunna
innebära
att
en
lägre
nivå
på
kvaliteten,
till
exempel
i
form
av
kortare
komponentlivslängd,
kan
möjliggöra
sådana
kostnadssänkningar
att
de
produkter
som
säljs
fortfarande
är
konkurrenskraftiga,
på
grund
av
det
lägre
priset.
Alternativet
är
en
högre
produktkvalitet,
vilket
skulle
kunna
göra
det
möjligt
för
företaget
att
ta
ut
ett
högre
pris
eftersom
den
förhöjda
kvalitetsnivån
kan
utgöra
ett
mervärde
för
kunderna.
Det
handlar
alltså
om
vilken
inriktning
företaget
vill
att
dess
produktportfolio
ska
ha.
26
6 Slutsats
och
diskussion
6.1.
Slutsats
Denna
rapport
har
påvisat
att
pulvermetallurgi
har
vissa
fördelar
över
andra
jämförbara
tillverkningstekniker
tack
vare
den
lägre
material‐
och
energiåtgången
och
de
goda
möjligheter
till
formgivning
som
finns.
Genom
att
välja
mellan
olika
behandlingsmetoder
och
olika
legeringskomponenter
till
pulvret
kan
den
tillverkade
komponentens
slutliga
egenskaper
styras,
vilket
gör
det
möjligt
att
skräddarsy
komponenter
till
speciella
ändamål.
Detta
bidrar
till
att
ytterligare
fastlägga
pulvermetallurgin
som
en
attraktiv
och
viktig
tillverkningsmetod.
Det
pulvermetallurgiska
förfarandet
lämpar
sig
i
synnerhet
väl
till
kugghjulstillverkning
då
man
kan
forma
kuggarna
direkt
vid
pressningen,
istället
för
att
gjuta
ut
cirkelformade
stycken
och
sedan
maskinellt
skära
ut
kuggarna,
vilket
leder
till
att
stora
mängder
bortarbetad
metall
lämnas
outnyttjad,
vilket
leder
till
högre
materialkostnader.
Rapporten
har
fokuserat
på
lämpligheten
i
att
använda
PM‐kugghjul
i
växellådor
tillhörande
lastbilar.
Transmissionen
i
en
sådan
växellåda
kännetecknas
av
höga
krafter
och
spänningar,
vilket
ställer
höga
krav
på
de
kugghjul
som
utför
själva
kraftöverföringen.
Dock
tyder
rapportens
reslutat
på
att
pulvermetallurgins
utveckling
ännu
inte
nått
så
pass
långt
att
det
går
att
producera
PM‐kugghjul
som
kan
uppvisa
tillräcklig
hållfasthet
och
livslängd
för
att
kunna
konkurrera
med
de
konventionellt
tillverkade
kugghjulen.
För
aktörer
inom
branscher
och
verksamheter
där
kugghjul
som
utsätts
för
sådana
belastningar
i
stor
utsträckning
förekommer
betyder
detta
att
en
avvägning
mellan
de
två
alternativen
måste
göras.
Vid
kugghjulstillverkning
med
pulvermetallurgi
sänks
tillverkningskostnaderna
för
kugghjulen,
men
deras
livslängd
blir
även
lägre.
Vid
valet
av
maskinell
bearbetning
av
smitt
stål
höjs
livslängden
men
också
tillverkningskostnaderna.
Denna
avvägning
måste
göras
individuellt
för
varje
företag,
med
målet
att
skapa
förutsättningar
för
långsiktig
ekonomisk
lönsamhet.
6.2.
Kritisk
granskning
av
eget
arbete
Även
om
rapporten
i
stort
är
utförd
på
ett
tillfredsställande
sätt
finns
det
vissa
punkter
av
osäkerhet
kring
resultatets
validitet
och
relevans.
Orsakerna
till
detta
tillskrivs
delvis
de
fallstudier
som
resultatet
delvis
baserats
på,
men
också
på
grund
av
hur
resultaten
återkopplats
till
frågeställningen.
När
det
gäller
fallstudierna
så
hade
till
att
börja
med
en
större
jämförbarhet
sinsemellan
varit
att
önska.
Det
var
svårt
att
göra
något
annat
än
en
kvalitativ
jämförelse
eftersom
utformning
och
genomförande
skilde
sig
åt
mellan
de
tre.
Sedan
finns
även
en
risk
att
artiklarna
inte
är
helt
opartiska
i
sina
bedömningar
då
de
alla
tre
är
skrivna
av
representanter
från
PM‐industrin.
Huruvida
detta
är
sant
eller
inte
går
endast
att
spekulera
i
men
det
är
hur
som
helst
en
risk
som
bör
has
i
åtanke.
Undersökningar
genomförda
av
en
opartisk
observatör
hade
varit
lämpligare.
Sedan
ligger
nästa
osäkerhet
kring
huruvida
det
går
att
dra
slutsatser
kring
lämpligheten
för
användning
inom
andra
användningsområden
utifrån
resultatet
som
är
baserat
kugghjul
till
växellådor.
Inget
i
rapporten
antyder
att
det
inte
skulle
kunna
vara
det,
men
det
finns
en
risk
att
vissa
signifikanta
aspekter
som
påverkar
lämpligheten
missas
om
resultatet
överförs
direkt
mellan
olika
användningsområden.
27
6.3.
Förslag
till
fortsatt
arbete
Trots
att
pulvermetallurgi
i
detta
arbete
inte
framstod
som
den
lämpligaste
tillverkningstekniken
för
det
valda
användningsområdet
så
kan
teknikens
kostnadsfördelar
fortfarande
vara
till
stor
nytta.
Därför
kunde
en
relevant
undersökning
vara
att
försöka
ta
reda
på
för
vilken
eller
vilka
applikationer
inom
tillverkningsindustrin
som
pulvermetallurgiskt
tillverkade
kugghjul
framstår
som
optimala
och
av
vilka
skäl.
Ett
annat
viktigt
område
är
också
pulvermetallurgins
utveckling
när
det
gäller
densitetsökning
och
porförminskning
i
material.
Därför
torde
vidare
forskning
även
fokusera
på
hur
de
nuvarande
PM‐tillverkningsmetoderna
kan
förändras
och
optimeras
för
att
kunna
öka
prestandan
hos
kugghjulen.
28
Referenser
Tryckta
källor
Esper,
Josef
Friedrich
(1994)
Pulvermetallurgie:
Das
flexible
und
fortschrittliche
Verfahren
für
wirtschaftliche
und
zuverlässige
Bauteilen,
Expert
Verlag
Huppmann,
W.J.
&
Dalal,
K.
(1986)
Metallographic
Atlas
of
Powder
Metallurgy,
Verlag
Schmid
Uhrenius,
Björn
(1998)
Pulvermetallurgi,
KTH
Högskoletryckeriet
Schatt,
Werner
(2007)
Pulvermetallurgie,
Springer
Verlag
Intervjuer
Sandqvist,
Erik.
Chef
för
avdelningen
för
materialteknologi
för
axlar
och
transmission,
Scania
(2010‐08‐24)
Internetkällor
GKN,
www.gknplc.com
Metal
Powder
Industries
Federation,
www.mpif.org
Gear
Solutions
Magazine,
www.gearsolutions.com
European
Powder
Metallurgy
Association,
www.empa.com
SubsTech,
www.substech.com
Rolled
Alloys,
www.rolledalloys.com
Höganäs
AB,
www.hoganaes.com
National
Programme
on
Technology
Enhanced
Learning,
nptel.iitm.ac.in
ASM,
asm.matweb.com
Metal
Suppliers
Online,
www.suppliersonline.com
Fallstudier
Engström,
U.,
Fordén,
L.,
Bengtsson,
S.
&
Bergström,
M.
(2006),
High
Performance
Gears
for
Heavy
Duty
Transmissions
Nigarura,
S.,
Parameswaran,
R.
&
Trasorras,
J.
R.
L.
(2007),
Bending
Fatigue
of
Surface
Densified
Gears
Hanejko,
F.,
Jandeska,
W.,
King,
P.,
Rawlings,
A.
&
Slattery,
R.
(2005),
Rolling
Contact
Fatigue
Performance
Contrasting
Surface
Densified,
Powder
Forged,
and
Wrought
Materials
29
1
Powder
Metallurgy
Full
Review
(2009),
http://www.gknplc.com/annualreport2008/Business_Review/Powder_Metallurgy_Hig
hlights/Powder_Metallurgy_Full_Review/Default.html
2
MPIF:
All
you
need
to
know
about
Powder
Metallurgy
(2009),
http://www.mpif.org/IntroPM/usesofpm.asp?linkid=7
3
Bending
Fatigue
of
Surface
Densified
Gears
(2007),
http://www.gearsolutions.com/media//uploads/assets/PDF/Articles/PMG0807.pdf
4
Esper,
Josef
Friedrich
(1994)
Pulvermetallurgie:
Das
flexible
und
fortschrittliche
Verfahren
für
wirtschaftliche
und
zuverlässige
Bauteilen,
s.
1
5
Economic
Advantages
(2008),
http://www.epma.com/New_non_members/economic_advantages.htm
6
Pneumanic
and
Manual
Tools
Industry
(2009),
http://www.allproducts.com/metal/dalu/21‐metallurgy_parts.html
7
Introduction
to
Powder
Metallurgy
(2008),
http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,
s.
21‐23
8
Huppmann,
W.J.
&
Dalal,
K.
(1986)
Metallographic
Atlas
of
Powder
Metallurgy,
Verlag
Schmid,
s.
11
9
Uhrenius,
Björn
(1998)
Pulvermetallurgi,
KTH
Högskoletryckeriet,
s.
41.
10
Uhrenius,
Björn
(1998)
Pulvermetallurgi,
KTH
Högskoletryckeriet,
s.
41
11
Huppmann,
W.J.
&
Dalal,
K.
(1986)
Metallographic
Atlas
of
Powder
Metallurgy,
Verlag
Schmid,
s.
12
12
Manufacture
of
metal
powders
(2008),
http://www.mpif.org/apmi/doc4.htm
13
Huppmann,
W.J.
&
Dalal,
K.
(1986)
Metallographic
Atlas
of
Powder
Metallurgy,
Verlag
Schmid,
s.
12
14
Introduction
to
Powder
Metallurgy
(2008),
http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,
s.
9
15
Huppmann,
W.J.
&
Dalal,
K.
(1986)
Metallographic
Atlas
of
Powder
Metallurgy,
Verlag
Schmid,
s.
12
16
Methods
of
shape
forming
ceramic
powders
(2010),
http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=methods_of_shape_forming_ceramic
_powders
17
Esper,
Josef
Friedrich
(1994)
Pulvermetallurgie:
Das
flexible
und
fortschrittliche
Verfahren
für
wirtschaftliche
und
zuverlässige
Bauteilen,
s.
39
18
Huppmann,
W.J.
&
Dalal,
K.
(1986)
Metallographic
Atlas
of
Powder
Metallurgy,
Verlag
Schmid,
s.
13
19
Uhrenius,
Björn
(1998)
Pulvermetallurgi,
KTH
Högskoletryckeriet,
s.
85
20
Schatt,
Werner
(2007)
Pulvermetallurgie,
s.
127.
21
Esper,
Josef
Friedrich
(1994)
Pulvermetallurgie:
Das
flexible
und
fortschrittliche
Verfahren
für
wirtschaftliche
und
zuverlässige
Bauteilen,
s.
73
22
Esper,
Josef
Friedrich
(1994)
Pulvermetallurgie:
Das
flexible
und
fortschrittliche
Verfahren
für
wirtschaftliche
und
zuverlässige
Bauteilen,
s.
88
23
Schatt,
Werner
(2007)
Pulvermetallurgie,
s
129.
24
Uhrenius,
Björn
(1998)
Pulvermetallurgi,
KTH
Högskoletryckeriet,
s.
86
25
Schatt,
Werner
(2007)
Pulvermetallurgie,
s
137
26
Huppmann,
W.J.
&
Dalal,
K.
(1986)
Metallographic
Atlas
of
Powder
Metallurgy,
Verlag
Schmid,
s.
12
27
Uhrenius,
Björn
(1998)
Pulvermetallurgi,
KTH
Högskoletryckeriet,
s.
82
30
28
Introduction
to
Powder
Metallurgy
(2008),
http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,
s.
17
29
Introduction
to
Powder
Metallurgy
(2008),
http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,
s.
18
30
Introduction
to
Powder
Metallurgy
(2008),
http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,
s.
15
31
Introduction
to
Powder
Metallurgy
(2008),
http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,
s.
29
32
http://www.mpif.org/designcenter/powder_forge.asp?linkid=43
33
Introduction
to
Powder
Metallurgy
(2008),
http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,
s.
29
34
http://www.mpif.org/designcenter/powder_forge.asp?linkid=43
35
Introduction
to
Powder
Metallurgy
(2008),
http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,
s.
20
36
High
Performance
Gears
for
Heavy
Duty
Transmissions
(2006),
http://www.gearsolutions.com/media//uploads/assets/PDF/Articles/Hoganas0706.pd
f,
s.
3
37
High
Performance
Gears
for
Heavy
Duty
Transmissions
(2006),
http://www.gearsolutions.com/media//uploads/assets/PDF/Articles/Hoganas0706.pd
f,
s.
3
38
Introduction
to
Powder
Metallurgy
(2008),
http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,
s.
21
39
Introduction
to
Powder
Metallurgy
(2008),
http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,
s.
21
40
Carburization
(2006),
www.rolledalloys.com/trcdocs/heatresist/CARBURIZATION.pdf,
s.
1
41
Introduction
to
Powder
Metallurgy
(2008),
http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,
s.
23
42
Economic
Advantages
(2008),
http://www.epma.com/New_non_members/economic_advantages.htm
43
Comparing
Castings
and
Forgings
(2007),
http://www.gearsolutions.com/media//uploads/assets/PDF/Articles/Rexnord0507.pd
f,
s.
4
44
Comparing
Castings
and
Forgings
(2007),
http://www.gearsolutions.com/media//uploads/assets/PDF/Articles/Rexnord0507.pd
f,
s.
4
45
Rolling
Contact
Fatigue
Performance
Contrasting
Surface
Densified,
Powder
Forged,
and
Wrought
Materials
(2005),
http://www.hoeganaes.com/navpages/NewTechbyTopic/TechbyTopicv2/TechPapersv
2/169.pdf,
s.
12
46
Rolling
Contact
Fatigue
Performance
Contrasting
Surface
Densified,
Powder
Forged,
and
Wrought
Materials
(2005),
http://www.hoeganaes.com/navpages/NewTechbyTopic/TechbyTopicv2/TechPapersv
2/169.pdf,
s.
12
47
Comparing
Castings
and
Forgings
(2007),
http://www.gearsolutions.com/media//uploads/assets/PDF/Articles/Rexnord0507.pd
f,
s.
3
31
48
Gears
–
Gear
Manufacturing
(2005),
http://nptel.iitm.ac.in/courses/IIT‐
MADRAS/Machine_Design_II/pdf/2_5.pdf
s
4‐5
49
Gears
–
Gear
Manufacturing
(2005),
http://nptel.iitm.ac.in/courses/IIT‐
MADRAS/Machine_Design_II/pdf/2_5.pdf
s
3
50
High
Performance
Gears
for
Heavy
Duty
Transmissions
(2006),
http://www.gearsolutions.com/media//uploads/assets/PDF/Articles/Hoganas0706.pd
f
51
Bending
Fatigue
of
Surface
Densified
Gears
(2007),
http://www.gearsolutions.com/media//uploads/assets/PDF/Articles/PMG0807.pdf
52
Rolling
Contact
Fatigue
Performance
Contrasting
Surface
Densified,
Powder
Forged,
and
Wrought
Materials
(2005),
http://www.hoeganaes.com/navpages/NewTechbyTopic/TechbyTopicv2/TechPapersv
2/169.pdf
53
ASM
Material
Data
Sheet
(2007),
http://asm.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum=M862BC
54
8620
Alloy
Steel
Material
Property
Data
Sheet
(2009),
http://www.suppliersonline.com/propertypages/8620.asp
32
machined
machined
bar stock.
ar stock.
ethod
genthod genmount
of
ount of
achining
achining
, hobhobtime
ime
costly.
ostly.
nt of
nt
allyof
ally
t shape
t that
shape
fthat
metal
f metal
ensures
nsures
ons,
ons,
oided.
ided.
sts
ts
icantly
cantly
Densification: As can be seen in figure 6a
there is a practically pore-free surface layer
along the gear tooth. This layer is about 0.5
mm on the flank. Figure 6b shows a closeup
of the densified surface on the gear flank.
steel reference are shown in figure 7. It can
be seen that the conventional compacted
gears (variant 1) with a density of 7.01g/cm3
were through carburised during case hardening. The hardness is roughly on the same level
FIGURE 2:
FIGURE 2:
Bilagor
SCANIA HEAVY TRUCK GEARBOX WITH THE INVESTIGATED PLANETARY GEAR
Alla
grafer
och
tabeller
är
tagna
ur
fallstudie
1.
SCANIA HEAVY TRUCK GEARBOX WITH THE INVESTIGATED PLANETARY GEAR
Bilaga
A
–
Bilagor
till
fallstudie
1
TABLE 1:
TABLE 1:
Number of teeth Z
FIGURE 3:
20
20
3.650
3.650
22.5 °
Number of teeth Z
Normal module mn (mm)
Normal module mn (mm)
Press angle αn
Press angle αn
Helix angle β
Helix angle
β FOR INVESTIGATED GEARS
MANUFACTURING
ROUTES
Addendum modification coefficient x
Addendum modification coefficient x
Over
FIGURE 5:
FIGURE
4: ball diameter (mm)
Over ball diameter (mm)
22.5 °
0°
0°
0.471
0.471
89.350
89.350
GEAR
GEOMETRY
GEAR GEOMETRY
Bilaga
A­1:
Specifikationer
för
testat
kugghjul.
TABLE 2:
TABLE 2:
Base material
Base material
C
(%)
C
(%)
Mn
(%)
Mn
(%)
Cr
(%)
Cr
(%)
Mo
(%)
Mo
(%)
Ni
(%)
Ni
(%)
Cu
(%)
Cu
(%)
Fe
Fe
D.AB+ 0.2%
1.5*
Bal.
0.19
0.50*
1.75*
+ 0.2%
Graphite
D.AB
*
*
*
1.5
Bal.
0.19
0.50
1.75
Graphite
Astaloy
+ 0.3%
85Mo
Astaloy
0.85**
0.28
Bal.
+ 0.3%
Graphite
**
85Mo
0.85
0.28
Bal.
Graphite
TOOTH ROOT
FATIGUE0.55
TEST
ROLLING
SURFACE 0.50
Bal.
SSEQUIPMENT
92506+ USED FOR0.20
0.55
0.20
DENSIFICATION
OF
GEAR
+
Bal.
SS
92506
0.20
0.50
0.55
0.20
0.55
*Diffusion
alloyed, **Pre-alloyed, +Corresponds to DIN 21 NiCrMo2
Bilaga
A­2:
Materialsammansättning
för
de
olika
legeringsvarianterna.
*Diffusion alloyed, **Pre-alloyed, +Corresponds to DIN 21 NiCrMo2
TABLE 3:
Theden
ge
face
face
deno
carried
carried
o
machine
machine
ing of so
ing
sog
4). of
The
4).
The g
Scania’s
Scania’s
their sta
their
staT
gears.
gears.
T
for solid
for
solid
materia
material
gears h
gears
ha
tised an
tised
an
hardeni
hardenin
microst
microstr
ferrite w
ferrite
w
Scania’
Scania’
get cas
get cas
Testin
Testing
The gea
The
gea
tested
tested
Each teb
Each
timestew
times
w
unloade
unloade
loaded
loaded
schema
CHEMICAL COMPOSITIONS OF SINTERED MATERIALS AND SOLID STEEL REFERENCE schema
ratio (R
CHEMICAL COMPOSITIONS OF SINTERED MATERIALS AND SOLID STEEL REFERENCE
ratio
(Rtigated gear is pointed out. The gear is char-known technology for
in order to ensure
tigated
gear
pointed out.
The gear
char-known
technology
in
order
to ensure
acterized
by is
a moderate
module
andispositive
nd
surface
finish offor
the
clamping
devic
acterized
by
a
moderate
module
and
positive
nd
surface
finish
of
the
clamping
devic
addendum modification, and it weighs about
n applied to PM gears,
that could withsta
addendum
modification,
and
it
weighs
about
nhe
applied
to
PM
gears,
that
could
withstan
700 grams.
fatigue properties
million
cycles
with
700
grams.
he
fatigue
properties
million
cycles
witho
e surfce region increases
run-out.
e
surfce
region
increases
run-out.
nique, commonly termed
Residual stress
ique,
commonly
termed
Residual
stresse
has been developed in
hardening
were
m
The planetary gear used in this study is shown
has
been
developed
in
hardening
were
me
The
planetary
CHARACTERISTICS
OF INVESTIGATED
GEARSgear used in this study is shown
oad bearing Bilaga
A­3:
Material
och
processteg
för
de
olika
testalternativen.
capacity of
electrolytic etching
in figure 2. The gear data are given in table 1.
oad bearing capacity
of
electrolytic
etching
in
figure
2.
The
gear
data
are
given
in
table
1.
FIGURE 6:
densification
and
Two powder grades were used as base materi
densification
and
Two
powder
grades
were
used
as
base
materihe three mentioned
ized using standarm
als for the gears: D. AB and Astaloy 85 Mo.
he three mentioned
ized using standar
als for the gears: D. AB and Astaloy 85 Mo.
art is
art
is
action
ction
oying
oying
density
density
he perhe
per-is
onent
onent is
Experimental
Experimental
gearsolutionsonline.com
gearsolutionsonline.com
•
•
JULY 2006
JULY 2006
•
•
obtained the highest endurance limit, 33kN.
The
endurance
limit for the solid steel referFIGURE
7:
ence is 31 kN. From the S-N diagram it can
be1000seen that the non-densified PM
materials
1. Conv.
Compacted
Warm Compacted
withstood the loads for a smaller2.number
of
800
3. SurfaceThe
Densified
cycles
than the solid steel reference.
4. Reference SS92506
testing
of
the
non-surface
densified
materi600
als was interrupted before full Wöhler curves
400
were
acquired. The endurance limits for the
non-densified
PM gears (variant 1 and 2)
200
are thus not known. It can however be seen
0
that employing
warm
compaction
and
hence
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
Hardness;
HV
100
44 g/
s profile.
hin the
ss at
he solid
gears
m. The
gher
e
t-
Distance from surface (mm)
FIGURE 8:
Residual St
ual
50 stresses
the tested ge
45
gears (varian
40
compressive
35
can
be expla
The
warm co
30
1. CC
compressive
25
solid steel re
20
stresses
at 1,t
1,E+03
FIGURE 9:
FIGURE 8:
HARDNESS PROFILES
Bilaga
A­4:
De
testade
kugghjulens
hårdhet,
mätt
med
Vickers‐metoden.
Compacted
fatigue perfo
TOOTH ROOT F
50
300
Compacted
45
ce Densified
200
100
nce SS92506
Force;
kN
40
0
3. Surface Densified
-100
35
-200
2.WC
30
25
-300
1. CC
-400
4. Solid Steel
-500
-600
20
1,E+03
3,5
1,E+04
1,E+05
1,E+06
0
1,E+07
No. of cycles
0,02
Bilaga
A­5:
De
testade
kugghjulens
livslängder.
TOOTH ROOT FATIGUE RESULTS
34
RESIDUAL STRES
SWISS PR
FROM:
FIGURE 9:
1. Conv. Compacted
2. Warm Compacted
3. Surface Densified
4. Solid steel reference
300
200
100
Stress,
MPA
0
-100
-200
-300
-400
-500
-600
0
1,E+07
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
Distance from s urface (mm)
Bilaga
A­6:
Residuala
spänningar
i
de
testade
kugghjulen.
RESIDUAL STRESSES IN AFTER CASE HARDENING
ISS PRECISION
OM:
2-344-0400
2-344-0404
yder.com
yder.com
35
Bilaga
B
–
Bilagor
till
fallstudie
2
Alla
grafer
och
tabeller
är
tagna
ur
fallstudie
2.
Material
AISI
8620
DM‐222
Ni
0.38‐0.55
1.0‐2.0
Mo
0.1‐0.2
0.7‐0.9
Cr
0.50
0
Mn
0.92
0.1‐0.3
Bilaga
B­1:
Metallegeringarnas
sammansättning.
Alla
tal
i
procent.
Fe
utgör
den
resterande
volymen
y
Gear Details
Module (mm)
Number of Teeth
Face Width (mm)
Tooth Thickness (mm)
Addendum (mm)
Dedendum (mm)
Surface Finish; Ra µm
Pinion
2.0
30
10
21.35 +/- 0.05
over 4 teeth
2.0
2.8
<0.4
Wheel
2.0
45
45
33.58 +/- 0.05
0ver 6 teeth
2.0
2.8
<0.4
TABLE 3: BACKTO-BACK TESTING
CONDITIONS
7.6
FIGURE 9: CASE M
WROUGHT STEEL
7.4
7.2
Density;Deep Layer
Density; Shallow Layer
7.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Depth; mm
0.6
Bilaga
B­3:
Densitetsförändring
som
funktion
av
djup
in
i
materialet.
Microhardness Profiles of Test Gears
900
00 gf)
E 8: MIARDNESS
LES
OF
P
FOR
NG TEST
GEARS
Density; g/cm3
!
Bilaga
B­2:
Geometrin
för
de
testade
kugghjulen.
"#$%&'()&
*(+#,-)&'()&./'&01&233&4(%5&
67&89&:;;(%(<#&
8.0
E 7: DENSI=()%,-%(>+
?@ !A
OFILES OF
9(+(>+&/B##;&
C333&,BA
ER METAL
7.8 D5##)&/B##;&
?333&,BA
ACE DENSI1#-,&E#+%#,&F($%-+G#&
H@&AA
EARS
IJ)K&'()&"#AB#,-%J,#&
H3LE
TABLE 2: TEST
GEAR GEOMETRY
36
AISI 8620
FIGURE
3: TEST SET-UP FOR THE BACK-TO-BACK
BENDING
DM-222
Deep Layer TEST
800
DM-222 Shallow Layer
A
B
FIGURE 9: CASE MICROSTRUCTURE OF POWDER METAL PINION (A) AND
WROUGHT STEEL PINION (B)
0.5
0.6
ars
620
2 Deep Layer
2 Shallow Layer
2.0
FIGURE 10: RESIDUAL STRESS PROFILES MEASURED AT THE TOOTH ROOT
Bilaga
B­4:
Uppmätta
residuala
spänningar
orsakade
av
densitetsskillnader.
SINGLE
DING
AISI 8620
POWDER
RS WITH
FICATION
FIGURE 12:
TO-BACK BE
FATIGUE OF
8620 GEAR
POWDER M
GEARS WIT
DENSIFICAT
All points on this line are runouts
1600
1500
Stress; MPa
1400
1300
1200
1100
1000
900
1e+3
DM-222
AISI 8620
1e+4
1e+5
1e+6
Number of Cycles to Failure
Bilaga
B­5:
Utmattningsgräns
för
enskild
kugge.
37
1e+7
All Points on this line are runouts
240
All Points on this line are runouts
220
1200
180
1000
160
1000
160
140
140
120
120
100
1e+4
100
1e+4
1e+5
800
800
DM-222
AISI 8620
DM-222
AISI 8620
Stress; MPa
1200
Stress; MPa
Torque; Nm
200
600
1e+5
1e+6
1e+7
600
Number of Cycles to Failure
1e+6
1e+7
Bilaga
B­6:
Utmattningsgränser
Number of Cyclesför
to djupt
Failureytförtätat
kugghjul
och
referenskugghjul
i
ingrepp.
240
240
220
200
Torque; Nm
220
Torque; Nm
Torque; Nm
12: BACKBENDING
ACKOF AISI
DINGAND240
ARS
SI
METAL
220
AND DEEP
WITH
AL
CATION
200
DEEP
N
180
200
180
180
160
160
DM-222 Deep Layer
DM-222
DM-222 Deep
LayerShallow Layer
DM-222 Shallow Layer
1e+4
1e+4
1e+5
1e+6
1e+6
Number of
Cycles to Failure 1e+7
Number of Cycles to Failure
1e+7
1e+5
FIGURE 13: BACK-TO-BACK BENDING FATIGUE
OF
FIGURE
13:
BACK-TO-BACK
BENDING
FATIGUE
OF
Bilaga
B­7:
Utmattningsgränser
för
djupt
ytförtätat
och
grunt
ytförtätat
kugghjul
i
DEEP
AND SHALLOW
DENSIFIED
POWDER
METAL
ingrepp.
DEEP GEARS
AND SHALLOW DENSIFIED POWDER METAL
GEARS
38
/.01*3!!S1()16.)(&7O!)+(*!61'9$)(%&!(&!6%00(&7!$%&).$)!8.)(791!0(81!.)!=5##!EF.!,.*!.0*%!&%)1'!8%6!
QRIR!TU=#3!!-+(*!61'9$)(%&!P.N!61*90)!86%P!'(88161&$1*!(&!$.6/96(H(&7!B6.$)($1!.&'!*9/*1@91&)!
01A10!.&'!'1B)+!%8!61*('9.0!*968.$1!$%PB61**(A1!*)61**1*3!!!
!
!
Bilaga
C
–
Bilagor
till
fallstudie
3
!"#$%&'&
Alla
grafer
och
tabeller
är
tagna
ur
fallstudie
3.
(%)*$+)&,-&%".$/%.&(,$$/01&2,0+"2+&-"+/1*%&!%)+/01&,-&3*.-"2%&4%0)/-/%4&56789::;<&
!
!
="+%./"$& >& 3/0+%.&
@%.+A&3+.%))&
E<;&$/-%C&F&
("+/,&,-&EG;&>&
3$,K%&,-&397&
H
?,04/+/,0&
6%B%$C&=D"&
G; &2I2$%)&
EJ;&$/B%)&
?*.B%&
=#5#!J:!K""=#!JLM!
"C##!
"V3#!
"!W!"#!
U35!
IX!
=5##!
=3U!
"!W!?3T!
=2##!J:!K"=U#!JLM!
"C##!
"#3#!
"!W!=3#!
?3U!
IX!
=5##!
=3T!
"!W!23=!
=2##!J:!K"=U#!JLM!
"C##!
"C3#!
"!W!23#!
C3#!
IX!.&'!.&&1.01'!
=5##!
"3V!
"!W!=35!
F%,'16!8%671'!!D!!
"C##!
"23#!
"!W!"3C!
U35!
""=#!JL!
=5##!
=3"!
"!W!"3C!
#$%&'()!*)++,*!-*!.&%)+/!0%$!)(+!,%1'-)&/-12,!/-$+3)-%1!%1,45!!6%#+7+$8!/+9+1/-1'!%1!)(+!)4
F%,'16!8%671'!!D!!
=###!
"23#!
"!W!=3U!
T3#!
'+2$-1'8!299,-+/!'+2$!,%2/-1'!3%&,/!:+!3%;9,+)+,4!-1!)(+!)$21*7+$*+!/-$+3)-%1!<*9&$!'+2$*=!%
"=U#!JL!
=5##!
=3"!
"!W!"3C!
7+3)%$!0&13)-%1!%0!:%)(!,%1'-)&/-12,!21/!)$21*7+$*+!9$%9+$)-+*!<(+,-32,!'+2$*=5!!>,,!*2;9,+*!
=###!
=#3#!
"!W!"3T!
QRIR!TU=#!
V3#!
;23(-1+/!0$%;!(%)!$%,,+/!$%&1/!:2$!*)%3?8!2&*)+1-)-@+/!2)!ABCC!DE!<FG"!DH=8!%-,!.&+13(+/!2
=5##!
?3=!
"!W!=3V!
)+;9+$+/!2)!ICC!DE!!!!!!<GC"!DH=5!!J2:,+!G!9$+*+1)*!)(+!/2)2!/+7+,%9+/!0%$!)(+!>KLK!MNGC!;2
"C##!
"U3#!
"!W!"3T!
QRIR!5"=#!
235!
=5##!
U3"!!
"!W!"3V!
"#$%&!'!
!
Bilaga
C­1:
Resultat
av
undersökning
av
livslängd
för
olika
förtätningstekniker.
S10.)(A1!)%!)+1!1881$)*!%8!&($Y10!6($+!617(%&*!61*90)(&7!86%P!101P1&).0!&($Y10!.''()(%&*O!)1*)(&7!%8!
(&)*#+,)#%!-./0&.1,&2!/3!45"!6787!9:';!#+<!
B%,'16!8%671'!:;<=>??#5!A16(8(1'!)+1!$6.$Y!(&()(.)(%&!.&'!B6%B.7.)(%&!&.)961!%8!)+1*1!
=>?'@AA;B!#1!CDA;!EF)GH!I/.&!J&+2,1K!
P($6%*)69$)96.0!B+.*1*3!!:(7961!T!Z=[!*+%,1'!$6.$Y(&7!1P.&.)(&7!86%P!61*('9.0!B%6%*()N!,()+(&!
!
)+1!0%$.00N!'1&*(8(1'!*968.$1!617(%&3!!R&!)+(*!1.60(16!,%6YO!)+1!1881$)*!%8!101P1&).0!&($Y10!.61!@9()1!
6787!9:';!
-F(!#1!CDA
-./0&.1K!
'6.P.)($!86%P!)+1!8.(0961!.&.0N*(*3!!R&!)+(*!I\E!B+%)%P($6%76.B+O!)+1!$6.$Y(&7!8%00%,*!.61.*!%8!
EF)GH!O
>/+E,1L<,+#%!
".#+2M&.2&!
&($Y10!6($+!P($6%*)69$)96.0!81.)961*3!!S1*('9.0!B%6%*()N!(&!)+1*1!.61.*!%$$96*!/1$.9*1!%8!
O-+,/!L)$+1')(!PQJ8!ACR!9*-!
'(88161&$1*!(&!*)61&7)+!%8!)+1!A.6(%9*!P($6%*)69$)96.0!101P1&)*3!!R&!617.6'!)%!)+1!B%,'16>8%671'!
A"N!<ACB"=!
A"I!<ACBC=!
AMC!<AGI
<ST2=!
*.PB01*!%8!:;<=>??#5O!&%!1A('1&$1!%8!61*('9.0!B%6%*()N!.'].$1&)!)%!&($Y10!6($+!617(%&*!,.*!
U,)-;2)+!J+1*-,+!L)$+1')(!PQJ8!
8%9&'3!!-+1618%61O!)+1!.**9PB)(%&!)+.)!)+1!61'9$)(%&!(&!6%00(&7!$%&).$)!8.)(791!0(81!%$$96*!/1$.9*1!
AFB!<AV""=!
AFV!<AVVC=!
GAC!<AII
ACR!9*-!<ST2=!
%8!)+1*1!617(%&*!(*!'1)16P(&1'!1PB(6($.00N3!!G%,1A16O!&($Y10!6($+!617(%&*!,()+(&!)+1!
J+1*-,+!W,%1'2)-%18!X!
M5C!
N5A!
A5C!
P($6%*)69$)961!61B61*1&)!.61.*!%8!.61.*!%8!0%,16!*)61&7)+3!!41$.9*1!%8!)+1!*9/*968.$1!*)61**!
$+.6.$)16(*)($*!%8!6%00(&7!$%&).$)!8.)(791O!)+1*1!0%,!*)61&7)+!617(%&*!$.&!61*90)!(&!B%)1&)(.0!*()1*!8%6
PQJ!62$/1+**8!6Y2!
BC5N!
NF5V!
MA!
$6.$Y!(&()(.)(%&!.&'!B6%B.7.)(%&3!!!
K;923)!Z%)3(+/8!!
GB!<VB=!
AC!<AI=!
Z\>!
!0)5,:0!<[%&,+=!
!K;923)!U11%)3(+/8!0)5,:0!<[%&,+=!
GVC!<VAG=!
GGB!<GGB=!
AV!<AM=
!
"CX!E2)-'&+!W1/&$213+!]-;-)!!
H2$:&$-@+/8!ACR!9*-!<ST2=!!
BA!<IFC=!
"I!<VBC=!
"F!<IC"
!
!
"#
Bilaga
C­2:
^!Mekaniska
egenskaper
i
longitudinell/transversal
riktning
för
testdetaljer
!
_2)2!0$%;!STKE!L)21/2$/!V"!`Ma!
av
smitt
stål
AISI
8620.
!
J,2)L22,/+P!
!
!"##$%&'("%)*+)',*)$&-.''
!
Y%,,-1'!3%1)23)!02)-'&+!$+*&,)*!9$+*+1)+/!-1!J2:,+!A!-1/-32)+!)(2)!32$:&$-@+/!>KLK!MNGC!+72
39
-1!)(-*!*&;;2$4!*(%#+/!*&9+$-%$!$%,,-1'!3%1)23)!02)-'&+!9+$0%$;213+!$+,2)-7+!)%!>KLK!"AGC
GCCC!ST2!3%1)23)!*)$+**5!!L-;-,2$,48!9%#/+$!0%$'+/!E]ZGbIIC"!*-1)+$+/!2)!GVCC!DE!<AGNC!
!
*!!
*!!
)!!
)!!
(!!
(!!
'!!
'!!
&!!
&!!
-<,=33
-<,=33
!"#$%&'$()*+ +,-.,/,0123,/#'+*,&'$(*)*(
%!!
%!!
$!!
$!!
#!!
#!!
"!!
"!!
!
!+!!
!+#!
!+%!
!+'!
!+)!
"+!!
"+#!
"+%!
"+'!
"+)!
!
!+!!
#+!!
+45+4$6'#*,(*78&,9: : ;
!+#!
!+%!
Bilaga
C­3:
Hårdhetsprofil
för
detalj
av
smitt
och
härdat
stål.
!
#!$!
&'()*+$),-.//!0)$1.)/./!*2!3$456./!71$68$9.,!
!
#!$!
:$)%8)';.,!<=3=!">?@!
!
#!%!
:$)%8)';.,!ABC?D##@E!
!"#$%&'$()*+ +,-.,/ >?@/A
-<,=33
*!!
!"#$%&'()!
! )!! !
! (!! !
! '!!
&!!
<-$6F/'/!*2!9+.!5'99'-G!/+*H.,!,'22.).-(./!%.9H..-!9+.!<=3=!">?@
%!!
/$456./I!!J.-.)$66FK!5'99'-G!*2!<=3=!">?@!/$456./!H$/!4*/96F!/8%
$!!
*2!4$L'484!/8%/8)2$(.!/+.$)!/9).//!M/..!A'G8).!ENI!!O*9+!5*H,.)!
#!!
$!G).$9.)!9.-,.-(F!2*)!()$(P!'-'9'$9'*-!$9!9+.!/8)2$(.!H+'(+!9+.-!5)
"!!
MA'G8).!>NI!!0+.).!H$/!$6/*!.1',.-(.!*2!,..5!/8%/8)2$(.!()$(P'-G!$
!
4$L'484!/+.$)!/9).//!MA'G8).!QNI!!R'22.).-(./!'-!4'()*+$),-.//!5
#+!!
!+!!
!+#!
!+%!
!+'!
!+)!
"+!!
"+#!
"+%!
"+'!
"+)!
#+!!
+45+4$6'#* ,(*78&,9:: ;
2*)G.,!/$456./!4*).!(6*/.6F!)./.4%6.!$!9+)*8G+D+$),.-.,!4$9.)'$
Bilaga
C­4:
Hårdhetsprofil
för
härdad
detalj
tillverkat
genom
pulvergjutning
6*H.)!)*66'-G!(*-9$(9!2$9'G8.!6'2.I!!STTU!
!
!
#!%!
2!3$456./!71$68$9.,! ,
,!<=3=!">?@!
,!ABC?D##@E!
%.9H..-!9+.!<=3=!">?@!$-,!9+.!5*H,.)!2*)G.,!
40
$456./!H$/!4*/96F!/8%/8)2$(.!*)'G'-$9'-G!$9!9+.!,.59+!