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

Figur1:Enuppsättningkugghjulsomärtillverkadeenligtpulvermetallurgisktförfarande.1

MG104X Examensarbete inom teknik och management

KTH vårterminen 2010

Erik Amberg

1

Sammanfattning Pulvermetallurgi är en tillverkningsteknik för en stor mängd maskinkomponentersåsom kugghjul, lager och filter. Tillverkningen sker genom sammanpressning ochupphettning, eller sintring, av ett fint metallpulver för att på så sätt direkt skapakomponentermedönskad form, istället förattbehövaskärabortdelaravdetaljen föratt det ska erhålla den önskade formen. Detta är särskilt fördelaktigt vidkugghjulstillverkning, på grund av deras komplexa former. Tekniken är ävenekonomiskt fördelaktig eftersom den knappt producerar något spillmaterial alls ijämförelsemedalternativatillverkningstekniker.

Syftetmed denna studie var att undersöka huruvida pulvermetallurgi är lämplig somtillverkningsmetodförkugghjulsomskaanvändasilastbilarsväxellådor,enapplikationsomkännetecknasavväldigthögabelastningarochdriftsäkerhetskrav.Undersökningengenomfördesgenomstudieavtrefallstudierochenintervju.

Resultatet löd att pulvermetallurgi har svårt att mäta sig med de alternativatillverkningsmetoder som finns för denna typ av kugghjul när det gäller uppnåddkomponentlivslängd, förmodligen på grund av svårigheter med att minimera porer.Dock kan en omställning till kugghjul tillverkade enligt pulvermetallurgiskt visfortfarande vara ekonomiskt försvarbart tack vare teknikens kostnadsfördelar somerhållsuren lägregradavmaterialförbrukning.Ett företagsvalav tillverkningsteknikbör baseras på vilken teknik som kan skapa den bästa och långsiktigt hållbarasteekonomiskautvecklingen.

2

AbstractPowder metallurgy is a manufacturing method for a vast amount of machinecomponents,includinggears,bearingsandfilters.Theproductioniscarriedoutthroughcompression and heating, or sintering, of a fine metal powder, in order to directlyproduce components with the wanted geometrical dimensions instead of having toshape the components through cutting or machining procedures. This is especiallyadvantageouswhenproducinggears,becauseoftheircomplexshapes.Thetechniqueisalso economically advantageous since it barely produces any spill material at all incomparisontoalternativemanufacturingtechniques.

The purpose of this study was to examine whether powder metallurgy could be anappropriate manufacturing method for gears used in the transmission of a truck, anapplicationthatischaracterizedbyhighloadsandstrongdemandsondependabilityofthe gears.The investigationwas carriedout throughanalyzing three case studies andthroughoneinterview.

The result stated that powder metallurgy has difficulties to compete with the otheroptions of manufacturing methods that exists for this application when it comes toachievable component lifetime,which probably is a consequence of the difficulties inminimizing pores. Despite thismay a switch to powdermetallurgicallymanufacturedgearsstillbeeconomicallysoundthankstothetechnology’scostadvantagesduetothehigherrawmaterialutilization.Acompany’schoiceofmanufacturingtechnologyshouldbebasedonwhichtechnologythatcancreatethebestandmostlong‐termsustainableeconomicdevelopment.

3

Innehållsförteckning

1 Introduktion...............................................................................................................................5

1.1. Bakgrund ..........................................................................................................................................51.2. Syfte ....................................................................................................................................................51.3. Avgränsningar ................................................................................................................................51.4. Metod..................................................................................................................................................6

2 Vadärpulvermetallurgi?.......................................................................................................7

2.1. Inledning ...........................................................................................................................................72.2. Användningsområden...................................................................................................................82.3. Pulvermetallurginsgrunder .......................................................................................................82.3.1. Pulvertillverkning .....................................................................................................................82.3.1.1. Järnmalmsreduktion ..............................................................................................................92.3.1.2. Atomisering ...............................................................................................................................92.3.2. Pulverformgivning ................................................................................................................. 102.3.2.1. Koaxialpressning ................................................................................................................. 102.3.2.2. Isostatiskpressning ............................................................................................................. 112.3.2.3. Formsprutning ...................................................................................................................... 122.3.3. Sintring ....................................................................................................................................... 122.3.3.1. Pulvergjutning....................................................................................................................... 132.3.4. Efterbehandling....................................................................................................................... 132.3.4.1. Återpressning ........................................................................................................................ 132.3.4.2. Ytförtätning ............................................................................................................................ 142.3.4.3. Porutfyllnad ........................................................................................................................... 142.3.4.4. Uppkolning ............................................................................................................................. 15

3 Alternativametoderförkugghjulstillverkning .......................................................... 16

3.1. Kugghjulstillverkninggenommaskinellbehandlingavsmittstål .............................. 163.2. Kugghjulstillverkninggenomformgjutningavstål ......................................................... 17

4 Empiriskadata ....................................................................................................................... 18

4.1. Fallstudie1:HighPerformanceGearsforHeavyDutyTransmission.......................... 184.1.1. Syfteochmetod........................................................................................................................ 184.1.2. Resultat ...................................................................................................................................... 194.1.3. Diskussionochslutsats......................................................................................................... 194.2. Fallstudie2:BendingFatigueofSurfaceDensifiedGears ............................................... 20

4

4.2.1. Syfteochmetod........................................................................................................................ 204.2.2. Resultat ...................................................................................................................................... 204.2.3. Diskussionochslutsats......................................................................................................... 214.3. Fallstudie3:RollingContactFatiguePerformanceContrastingSurfaceDensified,

PowderForged,andWroughtMaterials.......................................................................................... 214.3.1. Syfteochmetod........................................................................................................................ 214.3.2. Resultat ...................................................................................................................................... 224.3.3. Diskussionochslutsats......................................................................................................... 224.4. Implikationerfrånintervju ...................................................................................................... 23

5 Analysavresultat .................................................................................................................. 25

5.1. Analys .............................................................................................................................................. 255.2. Implikationerfrånanalysen .................................................................................................... 25

6 Slutsatsochdiskussion ....................................................................................................... 27

6.1. Slutsats ........................................................................................................................................... 276.2. Kritiskgranskningavegetarbete.......................................................................................... 276.3. Förslagtillfortsattarbete ........................................................................................................ 28

Referenser ...................................................................................................................................... 29

Trycktakällor........................................................................................................................................... 29Intervjuer................................................................................................................................................... 29Internetkällor ........................................................................................................................................... 29Fallstudier ................................................................................................................................................. 29

Bilagor.............................................................................................................................................. 33

BilagaA–Bilagortillfallstudie1....................................................................................................... 33BilagaB–Bilagortillfallstudie2 ...................................................................................................... 36BilagaC–Bilagortillfallstudie3 ....................................................................................................... 39

5

1 Introduktion

1.1. BakgrundTillverkningmed hjälp av pulvermetallurgi (PM) är idag en utbredd och vida användframställningsmetod för maskinkomponenter, bland annat kugghjul, till många olikaanvändningsområden. Särskilt fordonsindustrin är en storkonsument av artiklartillverkade med PM‐metoden2. Hållfasthet och form på artiklarna går att varieranoggrant och anpassa genom val av olika bearbetningsutrustningar, legeringar ochbehandlingsförhållanden.Pulvermetallurgiharävenekonomiska fördelar i relation tillandra jämförbara tillverkningsmetoder, eftersom både material‐ och energiåtgång ärrelativtsettlåga.

PM‐kugghjulhartraditionelltintevaritlämpligaförapplikationermedhögbelastning3.Dettaberorpåattdetharexisteratsvårigheterattpåpulvermetallurgiskväg tillverkakugghjulmedtillräckligthögdensitetförattkunnaanvändastillapplikationermedhögahållfasthetskrav.Ettsådantexempelärenlastbilsväxellåda.Dockharnyametodergjortdetmöjligtattökadensitetentillhögrenivåer,vilketkan innebärattpulvermetallurgikanutgöraenrimligtillverkningsmetodförkugghjulanpassadetilldessaområdenmedhöga krav på prestanda. Denna rapport kommer delvis att fokusera påpulvermetallurgin i stort, genom att ta upp och beskriva olika tillvägagångssätt ochvarianter av det pulvermetallurgiska förfarandet. Därefter kommer rapporten attfokusera mer på vilka möjligheter pulvermetallurgin har att utgöra ettkonkurrenskraftigt alternativ för tillverkning av kugghjul somutsätts för väldigt högabelastningar under lång tid, genom att undersöka lämpligheten i att använda PM‐kugghjultillväxellådorochtransmissionilastbilar.

Denna undersökning är relevant då de ekonomiska fördelar som PM‐kugghjul kanerbjuda kan vara till stor nytta för många företag. Eftersom undersökningen beröranvändningsområden som kännetecknas av hög belastning och höga krav pådriftsäkerhetärdetocksåviktigtattsäkerställaattdeundersöktametodernaintebaraär ekonomiskt gångbara, utan också att kugghjulen faktiskt har de egenskaper somkrävsförattklaraavdebelastningarsomdekanutsättasför.

1.2. SyfteVilkamöjligheterharPM‐kugghjulattkonkurreramedtraditionellttillverkadekugghjulinom användningsområden som karakteriseras av hög belastning och höga krav pådriftsäkerhet?

1.3. AvgränsningarFör att kunna finna ett svar till frågeställningen ovan så har författaren valt attkonkretiseradengenomatt i rapportensundersökningsdel fokuserapå lämpligheten iatt använda pulvermetallurgiskt tillverkade kugghjul i lastbilars växellådor ochtransmission. Detta val är baserat på faktumet att det nämnda användningsområdetkännetecknasavhögaprestandakrav,pågrundavdestorakraftöverföringarsomskergenomtransmissionen.

Undersökningen utgörs av en kvalitativ jämförelse mellan resultaten av de olikainformationskällorna.Detta innebäratt jämförelsen integörsmellanabsoluta tal,utansnarare mellan kvalitativa slutsatser. Av denna anledning har även de grafer och

6

diagram vars resultat betraktas lagts in som bilagor istället för direkt i texten. Derelevantadelarnaurgrafernasresultatpresenterasiställetskriftligtitextenirelationtillreferensvärden.Dennaavvägningberorpåsvårigheterförknippademedattgenomförakvantitativajämförelsermellanolikainformationskällor.

1.4. MetodKunskapsinhämtningen till denna undersökning har skett ur tryckt litteratur rörandeteknologin,informationssökningarpåinternet,genomgångochanalysavfallstudierochgenomenintervjumedErikSandqvist,anställdvidScania.

De tre utvalda fallstudierna behandlar alla det utvalda fokusområdet genom attundersöka och jämföra olika pulvermetallurgiska tillverkningstekniker med dekonventionellateknikersomfinns.Denförstafallstudienärbaseradpåenundersökninggjordi företagenScaniasochHöganäsregi.ScaniaärenvälkändlastbilstillverkareochHöganäs en stor producent av pulvermetallurgiskt tillverkade produkter. Den andrafallstudienärgenomfördavPMGOhioCorporation,ett företagsomävendettillverkarkomponenterpåpulvermetallurgiskväg.BådadessastudierärfunnaidenamerikanskabranschtidsskriftenGearSolutions.DentredjeochsistastudienärävendengenomfördavHöganäs.DenärtagenurendokumentdatabasfunnenpåHöganäswebbplats.

Förattbidramedenannansynvinkel till rapportenville författarenkomma ikontaktmedettföretagaktivtinomlastbilsindustrin,förattundersökahurPM‐kugghjulfaktisktkan användas till växellådor och transmission inomden. Författaren tog kontaktmedScania ochpresenteradeönskemålet ochblevdåhänvisad till Erik Sandqvist, chef föravdelningenförmaterialteknologiföraxlarochtransmission.Anledningarnatillattvaletav företag föll på Scania var delvis det faktum att huvudkontoret ligger placerat iSödertäljevilketmöjliggjordeettbesökmenocksåpågrundavföretagetsgodarelationtillKTH,vilketupplevdesunderlättakontakten.

7

2 Vadärpulvermetallurgi?

2.1. InledningPulvermetallurgi är i korta drag ett gemensamt namn för en mängd olikatillverkningstekniker för material och komponenter som alla har den gemensammaegenskapen att de är skapade av ett fint metallpulver, där järn för det mesta ärhuvudkomponenten.Genomatttillsättaolikaandelaravandrametallerkanmanskapalegeradematerialmedenstormängdolikaegenskaper.Denförstauppkomstenavdenmoderna pulvermetallurgin skedde i början av 1800‐talet i Ryssland. Teknikenanvändesdåförtillverkningavplatinamynt4.Idaghardenvuxittillenstorindustriinomvilkenenstormängdskildakomponenttypertillverkas.

Figur2:Materialåtgångochförbrukadenergiförolikakomponent­tillverkningstekniker.Sintringsprocessenutgörettcentraltsteginompulvermetallurgin.5

En särskilt utmärkande egenskap för PM‐tillverkningsteknik är den relativt sett lågaråmaterialförbrukningen vid tillverkningen, då det sällan är nödvändigt medefterbehandlingavdefärdigaföremålen.Dettalederocksåtillenminskadenergiåtgångdå bearbetningstiden förkortas (Se figur 2). En annan fördel är att belastningen ochslitagetpertillverkadenhetpåtillverkningsutrustningenärrelativtsettlågt,vilketledertill en hög noggrannhet för produkten och lång livstid för tillverkningsutrustningen.Detta gör att pulvermetallurgi är extra fördelaktigt vid väldigt storatillverkningsvolymer.

8

2.2. Användningsområden

Figur3:ExempelpåkomponentertillverkademedPM­teknologi.6

Idag tillverkasmångaolikakomponentermedhjälpavpulvermetallurgi.Tackvaredeegenskaper och de processer som kännetecknar tillverkningsmetoden blir detmöjligtatt med minimalt materialsvinn tillverka artiklar med avancerade former.Tillverkningsförfarandet lämpar sig också för automatiserad produktion med storaproduktvolymer. Förutom kugghjul tillverkas även många andra komponenter medhjälpavpulvermetallurgi,somtillexempellager,filter,ventilerochvevstakar.7Figur3visarnågraexempelpåkomponentersomtillverkatsmeddennateknologi.

2.3. PulvermetallurginsgrunderTill komponenttillverkning med hjälp av pulvermetallurgi hör i stora drag fyra steg.Dessasteglydersomföljande:

1. Pulvertillverkning.Pulverframställsgenomsönderdelandeavmetall.

2. Formgivning.Pulvretformasgenomsammanpressning.

3. Sintring.Artiklarnaupphettas,vilketharenökadhållfasthetsomeffekt.

4. Efterbehandling.Oftanödvändigtomhållfasthetenskaökasytterligare.

Inedanståendepunkterbeskrivsstegenmeringående.

2.3.1. PulvertillverkningInnan komponenttillverkningen kan startamåste först pulvret framställas. Genom attvariera val av råmaterial och processteknik och proportioner av eventuellalegeringsämnenkanpulvretsochdet färdigamaterialetsegenskaperstyras.8Det finnsett flertalmetoder föratt tillverkadetpulversomsedananvänds föratt tillverkaPM‐material.Nedanbeskrivstvåavdessametoder.Därtill tillkommerävendirektmalningavmetallstyckenochelektrolytiskutfällning.

9

2.3.1.1. Järnmalmsreduktion

Figur4:Illustrationavpulvertillverkninggenomreduktion.9

En av de äldsta metoderna är baserad på järnmalmsreduktion. Finmalen järnmalm,vilket också kallas för slig, placeras koncentriskt tillsammans med kolpulver ochkalkstenspulver i en reduktionsdegel, alltså en sorts förvaringskärl, tillverkad avkiselkarbid(SiC)enligtfigur4.Kärletplacerassedanienreduktionsugndärdenhettasupp till en temperatur på ca 1200 grader Celsius, en temperatur som ligger undersmältpunktenförjärn.10Viddennatemperaturskerenkemiskreaktionsomproducerarkolmonoxid och ger järn som reduktionsprodukt. Efter reduktionen får det nybildadejärnetenstruktursomkanliknasvidstrukturenhosentvättsvamp.Järnetmalssedanuppimikropartiklar,vilkafortfarandebehållerdenursprungligasvampstruktureninomsig.11

2.3.1.2. Atomisering

Figur5:Illustrationavpulvertillverkninggenomatomiseringmedvattensommedium.Envattenstråle(waterspray)skjutsinismältanochdelaruppden.12

En annan väldig vanlig pulverframställningsmetod är baserad på att låta en smältmetallegeringmedönskadkompositionfinfördelasmedhjälpavenstråle.13Densmältamassan hälls i en degel för att sedan i en tunn stråle flöda ut ur ett munstycke somskingrasavstrålaravettvaltmediumsomvanligtvisbeståravvatten,mendetkanäven

10

vara luftellergas.Strålarnabryteruppmetallflödet imångasmådropparsomsnabbtstelnartillpulverpartiklar(Sefigur5).Formenpåpartiklarnaskiljersigåtberoendepåmediet.Omgasmed lågvärmekapacitet användsblirpartiklarna sfäriska,medansvidanvändning av vatten får de väldigt oregelbundna former.14 Efter denna uppdelningmåste det skingrande mediet separeras från pulvret och i många fall krävs ävenytterligarebehandlingförattfåbortetteventuelltytlagersomformatspåpartiklarnapågrundavmediet.

Gemensamtfördessaochandrametoderärattderesulterar iettpulverbeståendeavvadmanskullekunnadefinierasommikro‐styckenellermikro‐tackor.Meddetmenasattvarjemikro‐styckeharformatsindividuellt,iställetförattheladetslutgiltigastyckettillverkas som en homogen bit. Det innebär att om ett fel på mikrostrukturell nivåuppstår i stycket så kan detta fel spridas över hela biten. Fel som kan uppstå kanexempelvisberopåattolikalegeringselementintebeblandatsordentligtellerattlokaladensitetssvackorharuppstått.Vidanvändandetavpulverförkomponenttillverkningärdäremot sådanamikrostrukturfel begränsade till det väldigt lilla stycke av den totalabitendärdetuppstod.Därförkanmanmedpulvermetallurgiheltundvikaelleriallafalldrastisktminskaproblemrelateradetillenoönskadmikrostrukturimaterialet.15

2.3.2. PulverformgivningFör att kunna gå vidare med tillverkningen måste metallpulvret formges. Det skergenom olika typer av sammanpressning. Nedan följer beskrivningar av några av deviktigaremetoderna.

2.3.2.1. Koaxialpressning

Figur6:Formgivninggenomenaxligpressning.16

Den viktigaste formgivningsmetoden för PM‐komponenter är tvåsidigt axial, ellerkoaxial, pressning i vertikalt led. Kombinationen av goda geometriskaformgivningsmöjligheter,vilketinnefattarbådeprecisions‐ochupprepningsmöjligheter,och en hög produktivitet utgör denna metods största styrkor. Det koaxialapressningsförfarandetskerrentkonkretgenomattmetallpulverhällsienformvaridetsedan trycks samman av pressningsstämplar (Se figur 6). Pressningsmaskinen utgörsutöver själva formenavenöverstämpel, enunderstämpelochomnödvändigtenellerfleramittstavar för eventuella genomskärande hål till artikeln.17 Sammanpressningenkan ske antingen genom enkelriktat eller genom dubbelriktat tryck. Vid enkelriktat

11

tryck pressar överstämpeln ner på en fixerad understämpel,medans vid dubbelriktattryckpressarbådeöver‐ochunderstämpelnpåartikelnfråntvåriktningar.Genomattvariera utseendet på pressformen kan man skapa komponenter med många olikaformer och storlekar. Det finns dock vissa begränsningar av hur pass kompliceradegeometriersomgårattskapa.Efterpressningharartikelnistoradragfåttenformsomöverensstämmer med slutproduktens tänkta form. Dock skiljer sig fortfarande detmekaniska, fysiska och kemiska egenskaperna. Detta beror på att pulverpartiklarnaännu inte bundits metallurgiskt till varandra, utan baramekaniskt.18 Artikeln har nunåttdetsåkalladegrönkroppsstadiet(GreenCompact)iproduktionskedjan.

2.3.2.2. Isostatiskpressning

Figur7:Behållareförisostatiskpressning.Denelastiskaformenöverförpresskraftenfrånmediettillartikelnsomsammanpressasjämntöverhelasinyta.19

Vid framställningavartiklarmedkomplexaochsvårpressade formeroch föratt fåenförbättrad hållfasthet bör metoden isostatisk pressning användas. Dennapressningsteknikbyggerpåattartikelkroppenutsättsförettjämnttrycksomliggeröverhela dess yta. Det leder till en jämnare och högre densitet, i jämförelse med artiklarsammanpressade av en pressmatris.20 Detta jämna tryck skapas med hjälp av ettmediumiformavengasellervätska.Detännuickesammanpressadepulvretplacerasienelastiskform,vilkensedanplacerasientryckbehållareochpressasdäreftersammanavmedietnärtrycketibehållarenökar,enligtfigur7.

Vid rumstemperatur lämpar sig i första hand vätska bäst som trycköverförandemedium. Pressningsförfarandet kallas då för kallisostatisk pressning, eller CIP (ColdIsostaticPressing).Efterpressningavstålpulverliggerdensitetenpåmellan80och90procent av densiteten hos en kropp av smitt stål.21 Utöver komplexa geometriermöjliggör detta förfarande även framställandet av presskroppar med väldigt höggeometrisknoggrannhetijämförelsemedderasslutkonturer.Förfarandetgördetävenmöjligtattfogasammakomponenterbeståendeavolikamaterial.22Pressningstidenförenpresskropp,detvillsägatidenförenarbetscykel,liggerpåmellan10och30minuterviddettaförfarande.23Försammanpressning,ellerkonsolidering,avmetallpulveräretttryckpå400MPatillräckligt.Dennametodlämparsigförsmåtillverkningsvolymeravstörre komponenter utan alltför komplicerad form, eftersomdet endast ärmöjligt attappliceraettjämnttryckpåenklaregeometriermeddennametod.24

Elastisk form

Artikel som sammanpressas

12

En annan isostatisk konsolideringsmetod är varmisostatisk pressning, eller HIP (HotIsostaticPressing).Ävenviddettaförfarandeplaceraspulverienformsomutsättsförtryck. Skillnaden mot den tidigare beskrivna pressningsmetoden är att medanspressningenskersåhettasävenformenochdessinnehållkraftigtupp.Det innebärattden använda formen måste vara tillräckligt värmetålig Arbetstemperaturen liggervanligtvis mellan 800 och 1500 grader Celsius och det totala arbetstrycket ligger påcirka 200 MPa.25 På grund av behovet av lång bearbetningstid och eftersomanläggningentartidatttömmaochfyllasåklarardenhögst2cyklerpå24timmar.Somtrycköverförande medium används en gas, i regel argon, tack vare dess högarenhetsgrad.Pågrundavdenupphettningsomingåridennaprocessbehöverartikelnheller inte sintras ytterligare. Därför kallas denna metod även för trycksintring, dåupphettandet kan liknas vid en sintringsbehandling. Utöver de egenskaper somkännetecknar kallpressade artiklar så erhåller de varmpressade artiklarna en ännuhögredensitetochdåävenännubättrehållfastighetsegenskaper,dettapågrundavdesintringsliknande uppvärmningsförhållandena. Anläggningskostnaderna är dock högreför denna metod jämfört med kall isostatisk pressning, på grund av den ökadeenergiåtgångenviduppvärmningenochdenförlängdabehandlingstiden.

2.3.2.3. FormsprutningYtterligareenformgivningsmetodärPowderInjectionMolding,ellerformsprutningpåsvenska. Metallpulver blandas med ett bindningsämne, genomgår engranuleringsprocess och injiceras sedan in en form där det pressas samman av detenaxialatrycksomdriverpåflödetiniformen.Bindningsämnettasdärefterbortgenomurlakning(leaching)ellerutbränning(burn‐out).26Dennaavdrivningärenkompliceradoch tidsödande process då komponentens form måste vara oförändrad och ingensprickbildning i komponenten får ske. Sedan sintras föremålet för att ge det en högdensitet.Medhjälpavdennametodkanmantillverkasmåkomponentermedinveckladgeometrigenomendastenaxligpressning.27

2.3.3. SintringSomnästa steg i tillverkningsprocessen ska den sammanpressade grönkroppsartikelnsintras. Det innebär att artikeln passerar igenom en sintringsugn där den hettas uppkraftigt. Under sintringen sker diffusion på atomnivå vilket gör att pulverpartiklarnafogassammantillsdeiprincipintelängregårattåtskilja.Detledertilltillrundadeochförminskade porer och en över lag lägre porositet i artikeln.28 Vid detta förfarandebildas starka metallurgiska bindningar mellan partiklarna. Sintringsprocessen är påmånga sätt det viktigaste steget vid tillverkning av PM‐komponenter. Det är i dettaskede som komponenten uppnår den hållfasthet och erhåller de materialegenskapersomden förväntashanärden är färdig. Sintringsoperationer sker i princip alltid i enskyddad och kontrollerad atmosfär som inte innehåller ämnen som kan skada ochförändrasintringen.Detärnödvändigtförattkunnaförhindraoxidationimaterialetochförattkunnareduceraoxidersombildatspåmaterialetsyta.29

Temperaturen i sintringsugnen ligger vanligtvis mellan 60 och 90 procent avsmältpunktstemperaturen för den aktuella metallen eller legeringen.30 För speciellapulverblandningar som består av delvis svårsintrade ämnen kan dock temperaturenundersintringenliggaöversmältpunktstemperaturenfördetpulverämnesomharlägstsmältpunkt. Såär till exempel falletomett ämnemed lägre smältpunkthar lagts till iblandningenförattunderlättasintringsprocessen.

13

Pågrundavdiffusionenochsammanfogningensomsintringenorsakatsåökarnormaltden behandlade artikelns densitet. Densitetsökningen medför att artikelns volymminskar,eftersomingetytterligarestofftillförsartikeln.Ensådanvolymminskningkanledatillfelaktigkomponentstorlekmedblandannatfelpassningsomföljd.Därförärdetviktigtattuppnåhögdensitetredantillgreencompact‐stadiet,förattundvikaförstoravolymförändringar och att även beräkna hur pass stora volymförändringar somsintringen kan orsaka, för att kunna kompensera för volymförändringen vid valet avpress‐ och sinterformsstorlek. Särskilt viktigt är det att uppnå en homogen densitetunderpressningssteget,dådenannarsriskerarattdeformeras ifallvolymenförändrasolikamycket i olika delar av den. Vid en jämndensitet och en homogen spridning aveventuella legeringselementförändrasartikelnsstorlekmedsammaproportioneröverhela dess massa under sintringen, eftersom sintringstemperaturen då påverkar alladelaravartikelnlikamycket.Dettagörattdetfortfarandegårattförutsägaenartikelsutseendeeftersintringen.

2.3.3.1. PulvergjutningEn variant av det ovan beskrivna sinterförfarandet är Powder Forging‐tekniken, ellerpulvergjutning. Den bygger på en kombination av sintring och formgjutning och ärkapabel att skapa artiklar med maximal densitet, svårpressade former och högdimensionell noggrannhet vid massproduktion.31 Av denna anledning krävs väldigtsällan ytterligare efterbehandling av artiklar som tillverkats med denna teknik.Tillverkningmedpulvergjutning inledsmedattdenönskadepulversammansättningensammanpressastillenartikelvarsformärenförenkladvariantavdenönskadeformenpå slutresultatet. Efter pressningen sintras artikeln med en temperatur undersmältpunkten för pulvrets basmetall. Detta ger upphov till metallurgiska bindningarmellanpulverpartiklarna,vilketökarartikelnshållfasthet.32Därefterplacerasartikelniengjutningspresssomgenompressningochupphettninggerartikelnsinslutform.Dettaförfarandeorsakartillräckligtmycketdeformationförattgeslutartikelnendensitetsomliggerväldigtnäradensitetenhossolidmetall,ochartikelnfårdärförsådanamekaniskaegenskapersåattdenkanhållfasthetsmässigtkanmätasigmedartiklarsomgjutitsursolidametallstycken.33 Dock finns vissa begränsningar av vilka legeringsmaterial somkananvändasipulvretnärdennateknikanvänds,vilketgöratttillverkarekantvingasväljadyrarelegeringselementänomandratillverkningsteknikerskullehaanvänts.Föratttillverkningsprocessenskavaralönsamkrävsocksåvanligtvisstoraproduktvolymerförattfinansierautrustningochunderhåll.34

2.3.4. EfterbehandlingYtterligare behandling efter sintring är ofta nödvändig för att en artikel ska kunnauppnå den hållfasthet eller geometri som eftersträvas. Flera olikaefterbehandlingsmetoder kan kombineras för att uppnå de densitets‐ ochhållfasthetsnivåersomartikelnbehöverha.Nedanföljerennärmarebeskrivningavfyraolika efterbehandlingstekniker som kan användas på pulvermetallurgiskt tillverkadeartiklar.

2.3.4.1. ÅterpressningAttäveneftersintringenpressaartikelnienformärenbrametodförattförbättrabådehållfasthetiformavökaddensitetochävenförattåtgärdamåttfel.Dennametodkallasföråterpressning(Re‐pressing).Viddennaandrasammanpressninganvändsvanligtvisenspeciellpressformsomäranpassadtillartikelns formeftersintringen,menomdetrör sig om artiklar där de oönskade dimensionella förändringarna ligger på noll eller

14

väldigt nära noll går det även bra att använda samma form som användes innansintringen.Vidfalldärenartikelshållfasthetmåstevaramaximalanvändsåterpressningi första hand somett sätt att uppnåmaximal hållfasthet. För att åstadkomma artiklarmed ännu bättre dimensionell noggrannhet kan metoden varm isostatisk pressninganvändaseftersintringen.35

2.3.4.2. Ytförtätning

Figur8:Enpressningsmaskinförytförtätningavkugghjul.Detmindrekugghjuletibildensmittärdetsombearbetas.36

Figur9:Förstoringavenförtätadkuggflankigenomskärning.Bildenvisarattporernasantalochstorlekminskaskraftigtavdenytförtätandebehandlingen.Denstörrebildenvisareninzoomningavytanpåkuggenidenmindrebilden37

Förattökadensitetenlokalt iensintradartikel,särskiltnärdetgällerkuggarnapåettkugghjul,såärmetodenytförtätning(surfacedensification)attrekommendera.Genomattrullaettsintratkugghjulmotettverktygmedmotsvarandekuggarfastmedenhögrehårdhetökasdensitetenlokaltvidytanpåkuggarnapågrundavdensammanpressningavporersomskervidrullningen.Denutrustningsomanvändstilldettafinnsåtergivenifigur 8. Resultatet av denna densitetsökning är en förbättrad utmattningsstyrka motbåde kuggböjning och brott i kuggroten och ett förbättrat motstånd mot skadororsakadeavytkontakt.38Figur9tydliggörresultatetavenytförtätadkugg.Denförtätadekuggen uppvisar en drastisk densitetsökning orsakad av sammanpressningen ochförminskningavporernaiytan.

2.3.4.3. PorutfyllnadAttfyllautensintradartikelsporermednågotmedelärytterligareettsättattökadesshållfasthet.Utfyllnadsmedletkanantingenvaraenmetallismältform,ellerettorganisktämnesomtillexempelolja.Ärmedletenmetallkallasmetodenförinfiltrationochomdetärettorganisktämnebenämnsdetiställetsomimpregnering.Vidinfiltrationärdetviktigt att den tillfördametallen har en lägre smältpunkt än denmetall eller legeringsomdensintradeartikelnbestårav.Detärintenödvändigtattappliceraetttryckförattmetallen ska spridas i och fylla upp artikelns porer, då en kapillärkraft uppstår somsugerinden.Vidimpregneringmedoljaellerannatorganisktämnefårmaniställetenartikelmedsjälvsmörjandeegenskaperochbättretryckbevarandeegenskaperpågrundav den ökade tätheten i materialet. De självsmörjande egenskaperna som artikelnerhållerärsärskiltnyttigaförolikatyperavaxellagersombehöversmörjning.Dettaär

15

därför en vanlig efterbehandlingsmetod vid lagertillverkning.Maskinell behandling avsintradeartiklarunderlättasävenavdennatypavimpregnering.39

2.3.4.4. UppkolningEnannanvanligmetodförythärdningäruppkolning,ellercarburization.Denanvändsföratthärdadeflestatyperavmetallföremål,ävensintrade.Metodenbyggerpåattenartikelshållfasthetökasgenomendensitetsökningiartikelnsyta,orsakadavenförhöjdkolhalt. Dennaprocess har varit känd i flera tusen år och denutfördes ursprungligengenom att det järnstycke som önskades härdas placerades tillsammansmed kol somsedan hettades upp. Denna process tog några timmar och ledde till en förhårdning iytan.Nuförtidenskerdennaprocesspåettannatsätt,genomattmetallstycketsomskahärdas placeras i en ugn, vilken är anpassad för att kunna genomförahärdningsprocesser, som innehåller en atmosfär med en speciell sammansättning avolika ämnen. Genom att variera atmosfärssammansättningen kanuppkolningsförfarandetoptimerasochstyrastillattskapaettytlagermedettspecifiktdjupidenbehandladeartikeln.40

Trots de goda formgivningsmöjligheter som finns vid produktion av PM‐artiklar finnsdet fortfarande begränsningar för vilka typer av geometrier som går att skapa på etttillfredsställandesättgenompressning.Därförärivissafallmaskinellbehandlingeftersintringen vara nödvändigt, till exempel vid skapandet av transversala hål genomartikeln.41

16

3 AlternativametoderförkugghjulstillverkningDet finnsett flertalandrametoder förkugghjulstillverkningutöverpulvermetallurgi. Idettaavsnittbeskrivstvåavdeviktigastemetoderna.Dengenerellafördelenmeddessametoder är att de ger upphov till artiklar med högre densitet än artiklar tillverkadeenligtdetpulvermetallurgiskaförfarandet.Dettaberorpådenporfriamaterialstruktursomdenedanbeskrivnametodernaåstadkommer.Dockförbrukardessametoderbådemerenergiochmermaterialänpulvermetallurgi,vilketledertillattdebidrartillhögretillverkningskostnader.42 Även vid dessa tillverkningsmetoder går det att styra dettillverkade kugghjulets slutliga egenskaper genom att variera stållegeringenskomponenter.

3.1. KugghjulstillverkninggenommaskinellbehandlingavsmittstålDennametodgår ikortadragutpåattenståltackahettasupptillentemperaturnäradesssmältpunkt.Dennatackaformgessedangenommaskinellbehandlingmedhjälpavverktyg som hammare, press eller ringrullningsmaskin. För att sedan skapa merkomplexaformer,somtillexempelkuggar,krävsytterligaremaskinellbehandling,somtill exempel fräsning eller andra former av utskärning.43 En viktig konsekvens av denbearbetningochden formningspåverkansomartikelnutsätts förärattmaterialetbliranisotropiskt,vilketinnebärattdirektionalitetuppstårimaterialet.Meddettamenasattdet uppkommer något som kan liknas vid fibrer i materialet som leder till atthållfastheten skiljer sig åt i olika riktningar. Materialets styrka längs medfiberriktningen ökas, medans styrkan och hållbarheten i vinkelrät riktning motfiberriktningenförsämras.44,45Figur10ochfigur11gerettexempelpåhurdettakanseut,bådeteoretisktochurverkligheten.Attanpassabearbetningenavenkomponentsåatt den direktionalitet som uppstår är riktad så att komponenten får en optimalanpassning fördebelastningar somdenkommerutsättas för ärdärförväldigt viktigt.Beroende på hur kugghjulen tillverkats kan direktionaliteten uppstå på olika sätt ochkugghjultillverkadeavsammaråmaterialkandärförpresteraolikaienvissapplikation.

Figur10:Teoretiskbildavhurdirektionalitetsfibreriettföremålavbearbetatsmittstålkanvarariktade.46

Figur11:Fiberflödeochdirektionalitetiensmiddkrankrok.47

17

3.2. KugghjulstillverkninggenomformgjutningavstålKugghjulstillverkninggenomgjutningsteknikärtillenbörjanväldigtliksmidesmetoden.Ävenhär används en smält stållegeringmedolika sammansättningberoendepå vilkaegenskaperdenfärdigaartikelnskaha.Detsmältastålet formgesgenomattdet tillåtsstelna i en gjutform. Vid tillverkning med hjälp av formgjutning bildas heller ingendirektionalitetimaterialet,vilketinnebärattdemekaniskaegenskapernaärlikaoavsettvilkenriktningenbelastningverkar ifrån.Dengjutformsomanvändskan till exempelvaraenåteranvändbarmetallform, eller en sandformsom förkastasefter användning.Tillverkningmedhjälpavenmetallformgerkugghjulmedrelativtsettvälbehandladochslät yta och relativt god dimensionell noggrannhet medans däremottillverkningskostnaderna är relativt höga, eftersommetallformen är jämförelsevis dyratt tillverka. Denna metod lämpar sig därför väl för större volymer.48 Metoden medsandform sker däremot genom att sand formas enligt den önskade kugghjulsformen.Denblandasmedämnensomgörattdethållersammanunderdentiddettarförståletattstelna.Dettainnebärattdetgenomanvändningavdennametodgårattskapaartklarmedmerkomplexageometrierutanattbehövagenomföranågonytterligarebehandling.Sandformgjutna kugghjul kännetecknas av mindre släta ytor och sämre dimensionellnoggrannhet, fastmedlägretillverkningskostnader,dåsandformernaärrelativtbilligaatttillverka.Därförlämparsigdennatypavtillverkningförkugghjulmedlägrekravpåhållfasthetochnoggrannhetochmedmindreproduktionsvolymer.49

18

4 EmpiriskadataEfter denna ingående genomgång av den pulvermetallurgiska tillverkningsprocessenkommer den resterande delen av rapporten att fokusera på huruvida processen ärlämpligsomtillverkningsmetodförkugghjulmedhögakravpåhållfasthetochlivslängd,såsom kraftöverförande kugghjul i lastbilars växellådor. Det finns väldigt mångafaktorersompåverkargradenavlämplighet,vilketgörattettentydigtsvardärförkanvarasvårtattåstadkomma.Dendatainsamlingsomgenomförtsutgörsavtvådelar.Denförsta delen bygger på genomgångar av tre fallstudier och den andra delen på enintervjugenomfördmedErikSandqvist,anställdpåScania.

De tre fallstudierna behandlar empiriska tester av PM‐kompononenter som hartillverkats på skilda sätt eller utsatts för olika sorters efterbehandlingsmetoder. Mantestadeblandannatkomponenternaslivslängdochhårdhet.Deolikatillvägagångssättenjämfördessedanmedvarandrautifrån testresultaten, förattavgöravilkenmetodsomgerbästresultatAllatrefallstudiernainnefattaräventesteravkomponentertillverkadeavsolittstål.Resultatenavdessatesterfungeradesomreferensvärdenochanvändestillatt göra en jämförelse mellan de testade PM‐metoderna och de alternativatillverkningsmetoder som finns. Valet av vilka fallstudier som togs i betraktandebaserades på att deras resultat var relevanta för att kunna ta fram ett svar till denuppställdafrågeställningen.

Intervjunmed Erik Sandqvist syftade till att ytterligare undersöka lämpligheten i attanvändaPM‐teknologi föratt tillverka tilldet redannämndaanvändningsområdet.Ettdelsyftemed intervjun var att särskilt belysa eventuella negativa sidor och nackdelarmed teknologin, vilka skulle kunna göra den olämplig som tillverkningsmetod avkugghjultilldetaktuellaområdet.

4.1. Fallstudie1:HighPerformanceGearsforHeavyDutyTransmission50

4.1.1. SyfteochmetodDenförstafallstudienärbaseradpåenundersökninggjordiHöganäsochScaniasregi.Undersökningengickutpåatt jämförafyrakugghjulstillverkningstekniker,avvilkatrevar PM‐tekniker och den fjärde en teknik sombyggde påmaskinell bearbetning, sombetraktadessomreferensvärde.Jämförelsenskeddegenomattettkugghjultillverkadesmedvarochenavteknikerna,somtestersedanutfördespå.Detutvaldakugghjuletvarettplanetkugghjul frånenväxellåda tillhörandeen tung lastbil tillverkadavScania. Sebilaga A‐1 för kugghjulens dimensioner. De fyra metoderna som undersöktes varföljande: Konventionell pressning och sintring (1), Varmpressning och sintring (2),konventionellpressning,sintringochytförtätning(3)(seavsnitt2.3.4.2.)ochmaskinellbehandling och utskärning ur solitt stål. Materialen skiljde sig åt mellan de olikametoderna.SebilagaA‐2ochbilagaA‐3fördennainformation.

Efter tillverkningen härdades alla fyra testkugghjulstyper genom uppkolning(carburization) för att ytterligare stärka kuggytorna.Målet var att skapa ett förstärktytskiktsomsträcktesig0.7‐1.2mminimaterialet.Självaundersökningengickutpåattanalyseraeffektenavythärdningen,utmattningstestakuggrötterna(testetpågickunder2miljonerarbetscykler)ochundersökaeventuellakvarvarandespänningarorsakadeavythärdningen.

19

4.1.2. ResultatResultatenåterfinnsigrafisktformatsombilagor.

Ythärdning(BilagaA­4)

DettatestmätteVickers‐hårdhetensomfunktionavdethärdadeytskiktetsdjup imm.Resultatetvisarattdetkonventionelltpressadekugghjulet(variant1)blevgenomhärdateftersom hårdheten ligger på ungefär samma nivå över hela testdjupet. Det önskadehärdningsdjupet överskreds alltså.Detta kugghjul hade endensitet på 7.01g/cm3.Detvarmpressadekugghjulets (variant2)kurvapåvisardäremotetthärdningsdjuppå1.1mm, vilket låg inom den önskade utsträckningen. Densiteten för det varmpressadekugghjulethamnadepå7.44g/cm3.Dockärdenmaximalahårdhetenmärkbartlägreänreferensvärdet frånstålet.FördetsistaPM‐kugghjulet,det”surfacedensified”(variant3)ärytdjupetpå1.2mm,alltsåävendetinomdeangivnaspecifikationerna.Densitetenför denna variant är 7.15g/cm3, fast hårdheten i ytan ligger dock över motsvarandevärdeförreferenskugghjulet.

Utmattningstestförkuggrötter(BilagaA­5)

Testetmätte spänningen som funktion av antalet arbetscykler. Ur resultatet för dettatest går det att avläsa att det ytförtätade kugghjulen (variant 3) erhöll den högstauthållighetsgränsenpå33kN,vilketvarliteöverreferenskugghjuletsresultat,vilketvar31 kN. Uthållighetsgränsen för de två övriga kugghjulen kunde inte erhållas, dåtestcyklernaintekundeslutföras.Manserdockattvarmpressning(variant2)erhölletthögrevärdeändetkonventionelltpressadekugghjulet(variant1),någotsomtrosberopådenhögredensitetenhosdettidigarekugghjulet.

Residualaspänningar(BilagaA­6)

I detta test mättes residuala spänningar som funktion av ytdjupet. Resultatet visarresidualaspänningarvidkugghjulensytor.Omdenresidualaspänningenharettpositivtvärde utgör den en tryckspänning och omvänt så innebär ett negativt värde ensammanpressandedragspänning.Sammanpressandespänningarförbättrarmotståndetmotutmattning.Fördetkonventionelltpressadekugghjulet(variant1)uppkomendastväldigt svaga sammanpressande spänningar tätt inpåytan.Dettakan förklarasavdenjämna hårdheten som observerades i den första grafen. Hos både det varmpressadekugghjulet (variant 2) och hos det ytförtätade kugghjulet (variant 3) förekomsammanpressande spänningar, vilka var störst hos variant 3. Hos stålreferensenuppkomiställeten tryckandespänningprecisvidytan, somsedansnabbtövergick tillattblisammanpressande.

4.1.3. DiskussionochslutsatsResultatet av utmattningstestet för den konventionellt pressade varianten var intesärskiltövertygandeijämförelsemeddeövrigaresultaten.Dettatrosifallstudienberodelvis på avsaknaden av residuala spänningarmen också på låg ythårdhet och på enrelativtsettlågdensitet.Detvarmpressadekugghjuletuppvisadeettbättreresultatvidutmattningstestet, något som tillskrivs en högre densitet och residualasammanpressande spänningar i ytan. Dess hållfasthet tros kunna förbättras omythårdheten kunde öka ytterligare, till exempel genom användandet av ettvärmebehandlingsförfarande bättre anpassat till det aktuella materialet. För detytförtätade kugghjulet så noterades en ytdensitet på samma nivå som den hos

20

kugghjulet av solitt stål. Eftersom den högsta spänningen på ett belastat kugghjulåterfinnsidenbelastadekuggensytasåkanalltsåkugghjuletskapacitetökasytterligaregenomatthöjadensiteteniochprecisinnanförytan.Ensådandensitetshöjningminskarantalet porer i ytan, vilket bidrar till att öka kugghjulets hållbarhet eftersom sprickoroch brott har lättare att uppstå i ojämnheter. Av dessa anledningar visade detytförtätadekugghjuletuppettbättretestresultatjämförtmeddeandraPM‐metoderna.Resultatetavtesternavisaralltsåattenartikelmedlägreinredensitetmenvarsytaharförtätats (variant 3) kan utstå ett större antal belastningscykler än en artikelmed enhögreinredensitetsomärhomogenöverhelaartikeln.

En sammanfattad slutsats för fallstudie 1 är alltså att kombinationen avbearbetningsmetodernaythärdningochytförtätningpåPM‐kugghjulgerupphovtillenartikelmedmekaniska egenskapermotsvarande de hos kugghjul tillverkade av smittstål.

4.2. Fallstudie2:BendingFatigueofSurfaceDensifiedGears51

4.2.1. SyfteochmetodDennastudiegickutpåatttestahurskadorpåkugghjulutvecklasgenomattundersökaböjutmattningsgränsen och hur man kan påverka denna gräns genom att varieraytförtätningsdjupet.Syftetvaratt ta redapåhuruvidanyutveckling inomytförtätningkangöradetmöjligt att till växellådor inom fordonsindustrinersätta smiddakugghjulmedytförtätadePM‐kugghjul.TestutfördespåtvåkugghjultillverkadeavmetallpulvretDM‐222 enligt konventionell PM‐teknik med efterföljande ytförtätningsbehandling(Variant1och2)ochpåettkugghjultillverkatavstållegeringenAISI8620,somsedanformadesmaskinellbearbetning(Variant3).Testresultatenfördettakugghjulutgjordereferensvärden för testet. För närmare materialspecifikationer, se bilaga B‐1. Allakugghjulen härdades ytterligare efter tillverkning genom härdningsbehandling, medmåletattskapaetthärdatskiktpå0.6till0.8mm.Behandlingstidenvarsammaförallatrevarianterna.DetillverkadekugghjulensgeometrifinnsåtergivenibilagaB‐2.

PM‐kugghjulen ytförtätades så att det ena (Variant 1) erhöll en djupare förtätning(>0.20mm)ochdetandra(Variant2)engrundare(<0.10mm).Tvåtestergenomfördes.Viddetförstatestadesenenskildkugggenomattdenutsattesförettkonstanttryck.Viddetandrasattestvåkugghjuliingrepp,varderapåverkadeavettkonstantvridmoment.Ibådafallenstoppadestestetefter107cyklerochdetansågsvaralyckatomdentestadekuggenintehadebrustit.

4.2.2. ResultatGenomkvantitativbildanalysavresultatetavytförtätningenerhöllsattkugghjuletmeddjupare förtätning (Variant 1) erhåller en ytdensitet på precis över 7.8 g/cm3,medanytdensiteten för kugghjuletmed grundare förtätning (Variant 2) hamnar på cirka 7.7g/cm3.Densitetensjunkersedanlängreinimaterialet.Resultatetär illustrerat ibilagaB‐3.Bådeyttförtätningenochythärdningenbidrogtillenförhöjdythårdhet,isambandmeddensitetsökningen.Dettagavisinturupphovtillresidualaspänningar.Medhjälpavröntgendiffraktionkundedessaspänningarikuggrotenuppmätas.ResultatetfinnsibilagaB‐4.BådePM‐kugghjulenochreferenskugghjuletuppvisar likartadeochkraftigtsammanpressanderesidualaspänningarprecisunderytan.

21

Utmattningsgränsförenskildkugg(BilagaB­5)

Resultatet av det första testet visar att utmattningsgränsen för en enskild kugg påkugghjuletmed djup surface densification (Variant 1) till stor del liknar gränsen hosreferenskugghjulet. Båda varianternas maximala utmattningsspänning sjunker i taktmedattantaletcyklerökar.Dockplanarspänningskurvornautrunt1100MPaochbådavarianternanåddeavbrytningsgränsenpå107cyklerkringdettavärde.

Utmattningsgränsförkuggariingrepp

Tester utfördes genom att två kugghjul sattes i ingreppmed varandra och drevsmotvarandramed ett bestämt vridmoment.De kombinationer som testades var det djuptytförtätadekugghjuletmotreferenskugghjuletochdetdjuptmotdetgruntytförtätadekugghjulet. Resultatet av den första jämförelsen visar ett svagt övertag förreferenskugghjulet. Vid en böjspänning strax under 1,000 MPa hade det ytförtätadekugghjuletändåenlivslängdpåöver10miljonercykler.DettafinnsåtergivetibilagaB‐6. Vid jämförelse mellan resultatet för de två PM‐kugghjulen framkommer attkugghjulets förmåga att ta upp last försämras vid alla testade vridmomentnär djupetsomärytförtätatminskas.DettaärillustreratibilagaB‐7.

4.2.3. DiskussionochslutsatsEnligt resultatet kan PM‐kugghjul med större förtätningsdjup (> 200 µm) uppnå enutmattningsgränssomnärmarsigdenförhärdatsmittstålAISI8620vidspänningarpådrygt1000MPa.Däremottydliggjordesattkugghjulmedgrundareytförtätning(<100µm)inteklararavdensortensbelastning.SomslutsatsavresultatetavdennafallstudiedrasattdetärmöjligtattökautmattningsgränsenförböjspänninghosytförtätadePM‐kugghjulgenomattväljaettstörreförtätningsdjup.

4.3. Fallstudie3:RollingContactFatiguePerformanceContrastingSurfaceDensified,PowderForged,andWroughtMaterials52

4.3.1. SyfteochmetodDentredje fallstudienbyggdeävendenpåattundersökaochutvärdera lämpligheten iattanvändakugghjul tillverkademedPM‐teknik tillväxellådor inom fordonsindustrin.Syftet var att undersöka hur utmattningsgränsen för material som PM‐kugghjultillverkasavändradesberoendepåbelastningenochsedansehurdettaresultatförhöllsigtillutmattningsgränsenförsmittstålvidsammabelastning.Ytterligareettsyftevarattjämföraolikaythärdningsmetoderochderaseffektpåmaterialetslivslängd.

Själva testet utfördes inte på kugghjul, utan testdetaljer tillverkades, på vilka sedantesterna utfördes. Eftersom testerna var utformade på ett annat sätt så utelämnasexaktaresultateftersomdeinteärdirektjämförbaramedresultatenfråndetvåtidigarefallstudierna. Detaljerna tillverkades genom att en utvald pulvermix FLN2‐4405pressades och sintrades. Hälften av detaljerna sintrades med en högre temperatur(1260°C)ochdenandrahälftenmedenlägretemperatur(1120°C).Sedanbehandladesalla detaljerna enligt pulvergjutningsmetoden (Se avsnitt 2.3.3.1) för att ytterligarehärdaochformadem.Däreftergenomgickdetaljernaenmaskinellytbehandlingförattskapa en jämnare yta och slutligen genomgick de en härdningsprocess för att ökaytdensiteten och hållfastheten i detaljerna. Som referens tillverkades även föremål avsmitt stålAISI8620.DessadetaljergenomgicksammahärdningsprocesssomallaPM‐detaljen i testet, för att kunna avgöra vilken effekt denna process hade på de olika

22

materialens utmattningsgränser. De tillverkade detaljerna testades sedan förutmattningsgräns på grund av rullningskontakt, enligt standardiserade metoder.Hårdheten i materialen fastställdes även, genom prover utförda enligt Vickers‐principen.

4.3.2. ResultatFör att kunna jämföra olika ythärdningsmetoder inkluderades även resultatet från entidigare genomförd fallstudie. Båda studierna genomfördes på liknande sätt. I dentidigare studien undersöktes metoden ytförtätning både med och utan extramaterialhärdning. Testdetaljerna till den undersökningen tillverkades genom normalpressning och sintring med efterföljande mekanisk ytförtätning. PulverblandningenFLN2‐4405användes även till dessadetaljer.Allaprover testades vid enhögre (2500MPa) och en lägre spänningsnivå (1900/2000 MPa). Utmattningstestets resultatredovisas i formavden livslängdsom50procentavdetaljernauppnåddevidangivenbelastningoch återfinns i bilagaC‐1.De ytförtätadedetaljerna är benämdaSDochdesomgenomgåttextrahärdningärbenämndaannealedibilagan.Resultatetfördetaljernatillverkadeavreferensstålvarcirka20miljonercyklervid2000MPaoch4.2miljonercyklervid2500MPa.Dedetaljersomtillverkatsmedpulvergjutningsteknikenfickfördebåda testadesintringstemperaturernaett resultatpå13miljonercyklervid1900MPaoch 2.1 miljoner cykler vid 2500MPa. De ytförtätade detaljerna fick relativt spriddaresultat, av vilka det som sintrats vid en högre temperatur och genomgått ytterligarehärdningsbehandlingpresteradebäst,medett resultatpå19miljonercyklervid1900MPamenbara1.7miljonercyklervid2500MPa.

Testdetaljen av smitt stål (AISI 8620) undersöktes även för att finna eventuelldirektionalitet som kan ha uppkommit vid tillverkning. Tester som undersökte dessmekaniska egenskaper i både den huvudsakliga arbetsriktningen (longitudinellriktning) och i en riktning vinkelrät mot den longitudinella riktningen (transversalriktning) utfördes. I detta test framkom att en distinkt skillnad mellan dessa tvåriktningar fanns. De pulvermetallurgiskt tillverkade detaljerna uppvisar ingen inredirektionalitet, på grund av att de tillverkades under isotropiskt tryck. Resultaten fördettatestfinnsibilagaC‐2.

Testeravythårdhetenutfördespådenpulvergjutnatestdetaljenochpådetaljenavsolittstål.Bådatesternautfördesefterattdetaljernaävenhärdats.ResultatenärredovisadeiVickers‐hårdhet.Testetavdetaljenavsolittstålpåvisadeattdetidettamaterialformatsett ytskikt med märkbart högre hårdhet än i detaljens inre och det fullständigaresultatetåterfinnsibilagaC‐3.Testetavdenpulvergjutnadetaljenkundedäremotinteuppvisanågonsådanhårdhetsskillnad.ResultatetfördettatestfinnsibilagaC‐4Dettatrosberopåattdenpulvergjutnadetaljenhargenomhärdats.

4.3.3. DiskussionochslutsatsVid en jämförelse mellan undersökningsresultatet för artiklarna som har tillverkatsantingen enligt pulvergjutningsförfarandet (variant 1) eller med normal sintring ochefterföljandeytförtätningochhärdning(variant2)framkommerattdensenareavdessatvå har enmarkant längre livslängd vid den lägre spänningenmen en något kortarelivslängd vid den högre spänningen. Detta indikerar att den senare av dessa två kanlämpasigbättreförfallavhögaspänningarochkravpålånglivslängd.Docköverträffaringen av de två varianterna resultatet för detaljen av smitt stål. Variant 2 närmar sigreferensvärdetviddenlägrespänningenmennärspänningenhöjsökarskillnaden.Den

23

pulvergjutnavariant1liggermarkantunderreferensvärdetvidbådedenlägreochdenhögrespänningen. I studien framställs faktumetattvariant1verkarhagenomhärdatssom en möjlig förklaring till varför den får ett så pass sämre resultat. En skillnad idensitet och hårdhet mellan att föremåls yta och innandöme och de inresammanpressande spänningarna en sådan skillnad ger upphov till tros därför ha enpositivinverkanpåföremåletslivslängd.

Den funnadirektionaliteten somuppkommervid tillverkning i smitt stål kanmedföranegativa konsekvenser om den inte tas i beaktande vid fastläggande av livslängderberoendepåberäknadbelastning.Särskiltutmattningsgränsochstöttålighetvisadesigvaraextrariktningskänsliga.Omendastenartikelslongitudinellaegenskapertasmediberäkningarna,trotsattdenävenutsättsförkrafter i transversalriktningsåkandettaledatilloförutseddabrottochhaverier.

ResultatetpekaralltsåpåattPM‐kugghjulinteriktigtkankonkurreramedkugghjulavsmittstålvidsåpasshögapåfrestningarsomtestats idennafallstudie.DockframhållsPM‐kugghjulens isotropiska egenskaper som en fördel eftersom det ger en störreförutsägbarhetomhurmaterialetsmekaniskaegenskaperiolikarikningarblir.

4.4. ImplikationerfrånintervjuIntervjun genomfördes på Scania, en av Sveriges största lastbilstillverkare. Därintervjuades Erik Sandqvist, chef för avdelningen för materialteknologi för axlar ochtransmission. Erik Sandqvist berättade att pulvermetallurgi över huvud taget intebrukadesförtillverkningavkugghjultillväxellådoriScaniaslastbilar.Iställettillverkasidagsläget kugghjul till detta användningsområde genom maskinell bearbetning ochhärdning av smitt stål. Flertalet undersökningar har gjorts i Scanias regi, för attutvärdera och undersöka huruvida olika varianter av PM‐teknologin skulle kunnautgöraettrelevantalternativtilldennuvarandetillverkningsmetodenochlevaupptilldehållfasthetskravsomfinns.EnligtErikSandqvisthadedessaundersökningaruppvisatvarieranderesultat,därvissametoderframstodsombättreochandrasomsämre.DockhadeingasådanaundersökningarkunnatpåvisatillräckligtstarkaargumentförattPM‐kugghjulskullekunnalevereratillräckligprestandaförattdetskullebedömasvaramerlönsamt för Scania att ställa om sin kugghjulstillverkning från dagens till denpulvermetallurgiskatillverkningstekniken.

EnligtErikSandqvistfannsdetingetdefinitivtsvarpåvarförPM‐kugghjulenintelevdeupptilldekravsomställspåettkugghjulienväxellåda.Enmöjligförklaringkundevaradeporersomuppstårisambandmedattenkomponenttillverkasmedpulvermetallurgi.Dessa porer utgörs av små utrymmen som finns kvarmellan pulverpartiklarna, äveneftersammanpressningochsintring.Definnsbådeinutimaterialetochpådessyta.Detär huvudsakligen porerna vid ytan som kan leda till problem. Porer och andraojämnheter i ytan kan försämra ett materials hållfasthet och livslängd, eftersomsprickbildningisambandmedpåfrestningarlättarekaninitierasianslutningtillsådanainhomogeniteter än i en slät yta. Enligt Erik Sandqvist antydde undersökningarnasresultatattdet förmodligenalltidskulle finnasen litenmängdporerkvar iytanpåenPM‐tillverkadartikelävenomdengenomgåttolikaefterbehandlingstekniker,vilketdåskulle ge PM‐tillverkningsmetoden en ständig nackdel i jämförelse med andratillverkningsmetoder.

Erik Sandqvist framhöll att det i slutändan är den metod som förväntas ge störstekonomisk vinning som väljs. Han påpekade dock att när det gäller kugghjul till

24

växellådor har man på Scania hittills inte sett det som ekonomiskt försvarbart attgenomföra en sådan omställning till komponenter av eventuellt lägre kvalitet. EnligtErikSandqvistärdetintebaraScaniasomkommitframtilldennaslutsats,utanandraföretag inom branschen använder sig inte heller av pulvermetallurgi somtillverkningsmetodförkugghjultillväxellådor.DockvarhannogamedattpoängteraattPM‐teknologidockkundeanvändas som tillverkningsmetod förmångaandra typeravkomponentertilllastbilar,ävenkugghjulsomsitterpåandraställenäniväxellådorna.

25

5 Analysavresultat

5.1. AnalysDet är en något tudelad bild av den eventuella lämpligheten som målas upp avfallstudierna respektive intervjun. Fallstudierna gör klart att det med hjälp av deutprovadePM‐tillvägagångssättenärmöjligtattproducerakugghjulsomkanutståhögbelastning undermånga arbetscykler. Studieförfattarna argumenterar i alla fall delvisförattdetestademetodernaskullekunnaproducerakugghjulsomskullekunnautstådepåfrestningarsomkanuppmätas ien lastbilsväxellåda.Ytterligareen fördelmedPM‐teknologin är den minimala mängd materialspill som uppkommer under processensgång, vilket sänker de totala tillverkningskostnaderna. En vidare aspekt är deninneboende direktionalitet som kan uppkomma i kugghjul som formats genommaskinell bearbetning, vilketpåvisades i fallstudie tre. Pulvermetallurgiskt tillverkadematerial är istället isotropiska, något som också redovisades i den redan nämndastudien.Detinnebärattettmaterialärmekanisktsettlikaiallariktningar,vilketärenfördeleftersomdetunderlättardynamiskbelastning.

Detta till trots,så framstår interesultatensomsärskiltövertygande i jämförelsenmedvärdena från testerna av de kugghjul och detaljer av smitt stål som fungerade somreferens. Jämförelsen ur fallstudie 1 påvisar en viss fördel för PM‐kugghjulet överreferensvärdet när det gäller livslängd, medans den andra fallstudien anger att PM‐kugghjulet i jämförelse med referenvärden har en längre livslängd i den enaundersökningen,men inte i den andra. I den tredje och sista fallstudien jämförs fleraolika PM‐tekniker, men ingen av dem verkar kunna överträffa resultatet förreferensstålet.Detärdärförsvårtattkommatill enslutsatsbarautifrån fallstudierna.IntervjunmedErikSandqvistgavinformationenattdetkanvarasåattdetnästanintegårattuppnåettsåpassporfrittmaterialmedhjälpavpulvermetallurgieftersomdetärsvårtattsammanpressaellerpåannatsättökadensitetensåpassmycketattallaporerverkligen försvinner.Detta skulle kunna vara en förklaring till attmanpå Scania inteansettdetvaralönsamtattbytaproduktionsteknikavkugghjultillpulvermetallurgi.

DensitetenfördetanvändareferensståletAISI8620urfallstudie2och3liggerpå7.85g/(cm3) 53, 54. I fallstudie 1 användes SS 92506, med en densitet på 7.9 g/cm3. BådadensitetsvärdenaärhögreänvadnågonavdeolikaPM‐metodernakunnatuppbåda.Detbetyderattdessabådastålsorterharfärreochmindreporerochhardärförsvårareattdrabbasavbrotteftersomdenytojämnhetsomenporutgöroftakanvaraenbidragandeorsaktillattettbrottsker.Dettastöderytterligareteorinomattpulvermetallurginharsvårt att producera kugghjul som kan konkurrera med konventionellt tillverkadekugghjultilllastbilarsväxellådor.

5.2. ImplikationerfrånanalysenPulvermetallurgiframståridennarapportsomenattraktivteknologitackvaredegodamöjligheterna till kostnadsinsparning som denmöjliggör, särskilt i relation till andrajämförbara tillverkningstekniker. Baserat på studiens resultat ser det dockut somattutvecklingen av de pulvermetallurgiska processerna ännu inte riktigt har nått till dennivån att metoden helt kan ersätta de nuvarande tillverkningsmetoderna. Dock kandetta ändras.Det är därför av stor vikt för en aktör inom lastbilsindustrin att bevakapulvermetallurginsutveckling förattsnabbastmöjligt fåveta ifalldennateknologiharutvecklats så pass mycket att den kan vara en applicerbar metod för att tillverka

26

kugghjulmedtillräckligtgodamekaniskaegenskaperförattkunnaanvändasilastbilarsväxellådor.

Genom att återkoppla detta resultat till rapportens syfte framstår det som attpulvermetallurgi i dagsläget inte är en lämplig tillverkningsmetod för kugghjul tillapplikationersommedavseendepålivslängds‐ochhållfasthetskravkanliknasviddenovanundersökta.

Klart är trots allt att pulvermetallurgi är en väldigt användbar tillverkningsteknologitack vare en materialåtgång som i de flesta fall knappt överstiger den slutligaproduktens materialvolym. Denna väldigt låga mängd av spillmaterial gör attpulvermetallurgisk tillverkning kan genomföras till en lägre kostnad änmånga andratekniker, eftersom materialkostnaderna blir lägre. Därför fortsätter den att vara enattraktiv tillverkningsmetod för kugghjul och andra maskinkomponenter, trotsolämplighetenrörandedenundersöktaapplikationen.

Ytterligareenviktigpoäng idetta sammanhangärattdet som i slutändanböravgöravalet av tillverkningsmetod för ett företag är vilken metod som förväntas produceramaximal ekonomisk vinning. Det skulle teoretisk kunna innebära att en lägre nivå påkvaliteten, till exempel i form av kortare komponentlivslängd, kanmöjliggöra sådanakostnadssänkningar att de produkter som säljs fortfarande är konkurrenskraftiga, pågrundavdet lägrepriset.Alternativetärenhögreproduktkvalitet,vilketskullekunnagöra det möjligt för företaget att ta ut ett högre pris eftersom den förhöjdakvalitetsnivån kan utgöra ett mervärde för kunderna. Det handlar alltså om vilkeninriktningföretagetvillattdessproduktportfolioskaha.

27

6 Slutsatsochdiskussion

6.1. SlutsatsDennarapportharpåvisatattpulvermetallurgiharvissafördelaröverandrajämförbaratillverkningstekniker tack vare den lägre material‐ och energiåtgången och de godamöjlighetertillformgivningsomfinns.Genomattväljamellanolikabehandlingsmetoderocholika legeringskomponentertillpulvretkandentillverkadekomponentensslutligaegenskaper styras, vilket gör det möjligt att skräddarsy komponenter till speciellaändamål. Detta bidrar till att ytterligare fastlägga pulvermetallurgin som en attraktivoch viktig tillverkningsmetod. Det pulvermetallurgiska förfarandet lämpar sig isynnerhet väl till kugghjulstillverkning då man kan forma kuggarna direkt vidpressningen,iställetförattgjutautcirkelformadestyckenochsedanmaskinelltskärautkuggarna,vilketledertillattstoramängderbortarbetadmetalllämnasoutnyttjad,vilketledertillhögrematerialkostnader.

Rapporten har fokuserat på lämpligheten i att använda PM‐kugghjul i växellådortillhörandelastbilar.Transmissioneniensådanväxellådakännetecknasavhögakrafteroch spänningar, vilket ställer höga krav på de kugghjul som utför självakraftöverföringen.Docktyderrapportensreslutatpåattpulvermetallurginsutvecklingännu inte nått så pass långt att det går att producera PM‐kugghjul som kan uppvisatillräcklig hållfasthet och livslängd för att kunna konkurrera med de konventionellttillverkadekugghjulen.Föraktörerinombranscherochverksamheterdärkugghjulsomutsätts för sådana belastningar i stor utsträckning förekommer betyder detta att enavvägning mellan de två alternativen måste göras. Vid kugghjulstillverkning medpulvermetallurgi sänks tillverkningskostnaderna för kugghjulen, men deras livslängdblir även lägre. Vid valet avmaskinell bearbetning av smitt stål höjs livslängdenmenockså tillverkningskostnaderna. Denna avvägning måste göras individuellt för varjeföretag,medmåletattskapaförutsättningarförlångsiktigekonomisklönsamhet.

6.2. KritiskgranskningavegetarbeteÄvenomrapportenistortärutfördpåetttillfredsställandesättfinnsdetvissapunkteravosäkerhetkringresultatetsvaliditetochrelevans.Orsakernatilldettatillskrivsdelvisde fallstudiersomresultatetdelvisbaseratspå,menocksåpågrundavhurresultatenåterkopplatstillfrågeställningen.

Närdetgällerfallstudiernasåhadetillattbörjamedenstörrejämförbarhetsinsemellanvaritattönska.Detvarsvårtattgöranågotannatänenkvalitativ jämförelseeftersomutformningochgenomförandeskildesigåtmellande tre.Sedan finnsävenenriskattartiklarna inte är helt opartiska i sina bedömningar då de alla tre är skrivna avrepresentanter från PM‐industrin. Huruvida detta är sant eller inte går endast attspekulera i men det är hur som helst en risk som bör has i åtanke. Undersökningargenomfördaavenopartiskobservatörhadevaritlämpligare.

Sedan ligger nästa osäkerhet kring huruvida det går att dra slutsatser kringlämplighetenföranvändninginomandraanvändningsområdenutifrånresultatetsomärbaseratkugghjultillväxellådor.Ingetirapportenantyderattdetinteskullekunnavaradet, men det finns en risk att vissa signifikanta aspekter som påverkar lämplighetenmissasomresultatetöverförsdirektmellanolikaanvändningsområden.

28

6.3. FörslagtillfortsattarbeteTrots att pulvermetallurgi i detta arbete inte framstod som den lämpligastetillverkningstekniken för det valda användningsområdet så kan teknikenskostnadsfördelarfortfarandevaratillstornytta.Därförkundeenrelevantundersökningvara att försöka ta reda på för vilken eller vilka applikationer inomtillverkningsindustrin som pulvermetallurgiskt tillverkade kugghjul framstår somoptimalaochavvilkaskäl.

Ett annat viktigt område är också pulvermetallurgins utveckling när det gällerdensitetsökning och porförminskning i material. Därför torde vidare forskning ävenfokuserapåhurdenuvarandePM‐tillverkningsmetodernakanförändrasochoptimerasförattkunnaökaprestandanhoskugghjulen.

29

Referenser

Trycktakällor

Esper,JosefFriedrich(1994)Pulvermetallurgie:DasflexibleundfortschrittlicheVerfahrenfürwirtschaftlicheundzuverlässigeBauteilen,ExpertVerlag

Huppmann,W.J.&Dalal,K.(1986)MetallographicAtlasofPowderMetallurgy,VerlagSchmid

Uhrenius,Björn(1998)Pulvermetallurgi,KTHHögskoletryckeriet

Schatt,Werner(2007)Pulvermetallurgie,SpringerVerlag

Intervjuer

Sandqvist,Erik.Chefföravdelningenförmaterialteknologiföraxlarochtransmission,Scania(2010‐08‐24)

Internetkällor

GKN,www.gknplc.com

MetalPowderIndustriesFederation,www.mpif.org

GearSolutionsMagazine,www.gearsolutions.com

EuropeanPowderMetallurgyAssociation,www.empa.com

SubsTech,www.substech.com

RolledAlloys,www.rolledalloys.com

HöganäsAB,www.hoganaes.com

NationalProgrammeonTechnologyEnhancedLearning,nptel.iitm.ac.in

ASM,asm.matweb.com

MetalSuppliersOnline,www.suppliersonline.com

Fallstudier

Engström,U.,Fordén,L.,Bengtsson,S.&Bergström,M.(2006),HighPerformanceGearsforHeavyDutyTransmissions

Nigarura,S.,Parameswaran,R.&Trasorras,J.R.L.(2007),BendingFatigueofSurfaceDensifiedGears

Hanejko,F.,Jandeska,W.,King,P.,Rawlings,A.&Slattery,R.(2005),RollingContactFatiguePerformanceContrastingSurfaceDensified,PowderForged,andWroughtMaterials

30

1PowderMetallurgyFullReview(2009),http://www.gknplc.com/annualreport2008/Business_Review/Powder_Metallurgy_Highlights/Powder_Metallurgy_Full_Review/Default.html2MPIF:AllyouneedtoknowaboutPowderMetallurgy(2009),http://www.mpif.org/IntroPM/usesofpm.asp?linkid=73BendingFatigueofSurfaceDensifiedGears(2007),http://www.gearsolutions.com/media//uploads/assets/PDF/Articles/PMG0807.pdf4Esper,JosefFriedrich(1994)Pulvermetallurgie:DasflexibleundfortschrittlicheVerfahrenfürwirtschaftlicheundzuverlässigeBauteilen,s.15EconomicAdvantages(2008),http://www.epma.com/New_non_members/economic_advantages.htm6PneumanicandManualToolsIndustry(2009),http://www.allproducts.com/metal/dalu/21‐metallurgy_parts.html7IntroductiontoPowderMetallurgy(2008),http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,s.21‐238Huppmann,W.J.&Dalal,K.(1986)MetallographicAtlasofPowderMetallurgy,VerlagSchmid,s.119Uhrenius,Björn(1998)Pulvermetallurgi,KTHHögskoletryckeriet,s.41.10Uhrenius,Björn(1998)Pulvermetallurgi,KTHHögskoletryckeriet,s.4111Huppmann,W.J.&Dalal,K.(1986)MetallographicAtlasofPowderMetallurgy,VerlagSchmid,s.1212Manufactureofmetalpowders(2008),http://www.mpif.org/apmi/doc4.htm13Huppmann,W.J.&Dalal,K.(1986)MetallographicAtlasofPowderMetallurgy,VerlagSchmid,s.1214IntroductiontoPowderMetallurgy(2008),http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,s.915Huppmann,W.J.&Dalal,K.(1986)MetallographicAtlasofPowderMetallurgy,VerlagSchmid,s.1216Methodsofshapeformingceramicpowders(2010),http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=methods_of_shape_forming_ceramic_powders17Esper,JosefFriedrich(1994)Pulvermetallurgie:DasflexibleundfortschrittlicheVerfahrenfürwirtschaftlicheundzuverlässigeBauteilen,s.3918Huppmann,W.J.&Dalal,K.(1986)MetallographicAtlasofPowderMetallurgy,VerlagSchmid,s.1319Uhrenius,Björn(1998)Pulvermetallurgi,KTHHögskoletryckeriet,s.8520Schatt,Werner(2007)Pulvermetallurgie,s.127.21Esper,JosefFriedrich(1994)Pulvermetallurgie:DasflexibleundfortschrittlicheVerfahrenfürwirtschaftlicheundzuverlässigeBauteilen,s.7322Esper,JosefFriedrich(1994)Pulvermetallurgie:DasflexibleundfortschrittlicheVerfahrenfürwirtschaftlicheundzuverlässigeBauteilen,s.8823Schatt,Werner(2007)Pulvermetallurgie,s129.24Uhrenius,Björn(1998)Pulvermetallurgi,KTHHögskoletryckeriet,s.8625Schatt,Werner(2007)Pulvermetallurgie,s13726Huppmann,W.J.&Dalal,K.(1986)MetallographicAtlasofPowderMetallurgy,VerlagSchmid,s.1227Uhrenius,Björn(1998)Pulvermetallurgi,KTHHögskoletryckeriet,s.82

31

28IntroductiontoPowderMetallurgy(2008),http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,s.1729IntroductiontoPowderMetallurgy(2008),http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,s.1830IntroductiontoPowderMetallurgy(2008),http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,s.1531IntroductiontoPowderMetallurgy(2008),http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,s.2932http://www.mpif.org/designcenter/powder_forge.asp?linkid=4333IntroductiontoPowderMetallurgy(2008),http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,s.2934http://www.mpif.org/designcenter/powder_forge.asp?linkid=4335IntroductiontoPowderMetallurgy(2008),http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,s.2036HighPerformanceGearsforHeavyDutyTransmissions(2006),http://www.gearsolutions.com/media//uploads/assets/PDF/Articles/Hoganas0706.pdf,s.337HighPerformanceGearsforHeavyDutyTransmissions(2006),http://www.gearsolutions.com/media//uploads/assets/PDF/Articles/Hoganas0706.pdf,s.338IntroductiontoPowderMetallurgy(2008),http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,s.2139IntroductiontoPowderMetallurgy(2008),http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,s.2140Carburization(2006),www.rolledalloys.com/trcdocs/heatresist/CARBURIZATION.pdf,s.141IntroductiontoPowderMetallurgy(2008),http://www.epma.com/New_non_members/pdf/Intro_to_PM_final.pdf,s.2342EconomicAdvantages(2008),http://www.epma.com/New_non_members/economic_advantages.htm43ComparingCastingsandForgings(2007),http://www.gearsolutions.com/media//uploads/assets/PDF/Articles/Rexnord0507.pdf,s.444ComparingCastingsandForgings(2007),http://www.gearsolutions.com/media//uploads/assets/PDF/Articles/Rexnord0507.pdf,s.445RollingContactFatiguePerformanceContrastingSurfaceDensified,PowderForged,andWroughtMaterials(2005),http://www.hoeganaes.com/navpages/NewTechbyTopic/TechbyTopicv2/TechPapersv2/169.pdf,s.1246RollingContactFatiguePerformanceContrastingSurfaceDensified,PowderForged,andWroughtMaterials(2005),http://www.hoeganaes.com/navpages/NewTechbyTopic/TechbyTopicv2/TechPapersv2/169.pdf,s.1247ComparingCastingsandForgings(2007),http://www.gearsolutions.com/media//uploads/assets/PDF/Articles/Rexnord0507.pdf,s.3

32

48Gears–GearManufacturing(2005),http://nptel.iitm.ac.in/courses/IIT‐MADRAS/Machine_Design_II/pdf/2_5.pdfs4‐549Gears–GearManufacturing(2005),http://nptel.iitm.ac.in/courses/IIT‐MADRAS/Machine_Design_II/pdf/2_5.pdfs350HighPerformanceGearsforHeavyDutyTransmissions(2006),http://www.gearsolutions.com/media//uploads/assets/PDF/Articles/Hoganas0706.pdf51BendingFatigueofSurfaceDensifiedGears(2007),http://www.gearsolutions.com/media//uploads/assets/PDF/Articles/PMG0807.pdf52RollingContactFatiguePerformanceContrastingSurfaceDensified,PowderForged,andWroughtMaterials(2005),http://www.hoeganaes.com/navpages/NewTechbyTopic/TechbyTopicv2/TechPapersv2/169.pdf53ASMMaterialDataSheet(2007),http://asm.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum=M862BC548620AlloySteelMaterialPropertyDataSheet(2009),http://www.suppliersonline.com/propertypages/8620.asp

BilagorAllagraferochtabellerärtagnaurfallstudie1.

BilagaA–Bilagortillfallstudie1

BilagaA­1:Specifikationerförtestatkugghjul.

BilagaA­2:Materialsammansättningfördeolikalegeringsvarianterna.

BilagaA­3:Materialochprocesstegfördeolikatestalternativen.

gearsolutionsonline.com • JULY 2006 • GEAR SOLUTIONS 19

SURFACE DENSIFICATION AND WARM COMPACTION LEAD TO GREATER DENSITY IN PM GEARS, RESULTING IN HIGHER STRENGTH AND IMPROVED FATIGUE PROPERTIES.

By Ulf Engström, Linnéa Fordén, Sven Bengtsson, and Magnus Bergström

Planetary gears in heavy truck gearboxes are normally manufactured by forging a blank, turning, hobbing, shaving, and heat-treatment followed by grinding. Due

to the size of the gear the net shape capability of powder metallurgy (PM) methods can be a cost effective alternative to conventional manu-facturing. Warm compaction and surface densification are two PM methods to reach high density and, thereby, high strength and fatigue properties. Typical char-acteristics for PM gears manu-factured by these methods are outlined in this article.

IntroductionGears are commonly machined from forged billets or bar stock. This manufacturing method gen-erates a significant amount of waste material, and machining operations like turning, hob-bing, and shaving are time consuming, and thus costly. By using PM the amount of waste material is radically decreased, and the net shape manufacturing method that includes compaction of metal powder and sintering ensures that machining operations, in most cases, are avoided. The manufacturing costs can therefore be significantly lowered.

The simplest way of manufacturing a PM part is by conventional compaction and sintering. By employing warm compaction, the density increases and hence the per-formance of the component is enhanced.

Gear rolling is a well-known technology for improving the shape and surface finish of solid steel gears. When applied to PM gears, rolling also enhances the fatigue properties since the density in the surfce region increases significantly. This technique, commonly termed surface densification, has been developed in order to increase the load bearing capacity of PM gears [1-8].

Gears produced by the three mentioned

manufacturing routes (conventional compac-tion, warm compaction, and surface densifica-tion) are described in this paper, and the per-formances are compared. The gear presented in this paper is a planetary gear in a heavy duty gearbox in a Scania truck. A picture of the gearbox is shown in figure 1, where the inves-

tigated gear is pointed out. The gear is char-acterized by a moderate module and positive addendum modification, and it weighs about 700 grams.

ExperimentalThe planetary gear used in this study is shown in figure 2. The gear data are given in table 1. Two powder grades were used as base materi-als for the gears: D. AB and Astaloy 85 Mo.

The compositions of the powder grades and the solid steel reference material, SS 92506, which is equivalent to DIN 21NiCrMo2 and SAE 8620H, are shown in table 2.

Three PM gear variants were manufactured according to the manufacturing routes lined out in figure 3. The gears were machined from

cylindrical blanks since there was no compaction tool available for this specific gear. Gears of variant 1 and 2 were machined to the final shape, while gears of variant 3 were machined to an over-measure, func-tioning as stock material that was compressed during the rolling opera-tion. The characteristics of the gears are shown in table 3.

The gears of variant 3 were sur-face densified by radial rolling. It was carried out in a two-roll burnishing machine commonly used for burnish-ing of solid steel gears (see figure 4). The gears were case hardened in Scania’s production line according to their standard process for solid steel gears. That process is optimized for solid steel gears and not for PM materials. The surface densified PM gears had therefore to be re-austeni-tised and quenched after the case hardening to obtain a satisfactory microstructure, since grain boundary ferrite was created in this material in Scania’s standard process. The tar-get case depth was 0.7-1.2 mm.

TestingThe gears were tooth root fatigue tested by Scania in a pulsator rig. Each tested gear was clamped three times with 60 degrees shift with two unloaded teeth between the two loaded teeth, as can be seen in the schematic in figure 5. The stress ratio (R-value) was selected to 0.1

in order to ensure continuous contact between the clamping device and the gear teeth. A tooth that could withstand the applied load for two-million cycles without failing was considered a run-out.

Residual stresses acquired from the case hardening were measure on all variants using electrolytic etching and x-ray diffraction. The densification and microstructure was character-ized using standard metallographic methods.

Bal.

Bal.

Bal.1.5*1.75*0.50*

0.200.55 0.550.500.20

0.28 0.85**

0.19

-

-

---

--

FeCu(%)

Ni(%)

Mo(%)

Cr(%)

Mn(%)

C(%)

*Diffusion alloyed, **Pre-alloyed, +Corresponds to DIN 21 NiCrMo2

Base material

D.AB+ 0.2%Graphite

Astaloy85Mo+ 0.3%

Graphite

SS 92506+

20

3.650

22.5°

0°

0.471

89.350

Helix angle !

Press angle "n

Normal module mn (mm)

Number of teeth Z

Addendum modification coefficient x

Over ball diameter (mm)

FIGURE 1:

SCANIA HEAVY TRUCK GEARBOX WITH THE INVESTIGATED PLANETARY GEAR

GEAR GEOMETRY

TABLE 1:

TABLE 2:

CHEMICAL COMPOSITIONS OF SINTERED MATERIALS AND SOLID STEEL REFERENCE

FIGURE 2:

gearsolutionsonline.com • JULY 2006 • GEAR SOLUTIONS 19

!"#$#%&'()(*+,)--###./!"#$#%&'()(*+,)--###./ 012.130###4530540#67012.130###4530540#67

gearsolutionsonline.com • JULY 2006 • GEAR SOLUTIONS 19

SURFACE DENSIFICATION AND WARM COMPACTION LEAD TO GREATER DENSITY IN PM GEARS, RESULTING IN HIGHER STRENGTH AND IMPROVED FATIGUE PROPERTIES.

By Ulf Engström, Linnéa Fordén, Sven Bengtsson, and Magnus Bergström

Planetary gears in heavy truck gearboxes are normally manufactured by forging a blank, turning, hobbing, shaving, and heat-treatment followed by grinding. Due

to the size of the gear the net shape capability of powder metallurgy (PM) methods can be a cost effective alternative to conventional manu-facturing. Warm compaction and surface densification are two PM methods to reach high density and, thereby, high strength and fatigue properties. Typical char-acteristics for PM gears manu-factured by these methods are outlined in this article.

IntroductionGears are commonly machined from forged billets or bar stock. This manufacturing method gen-erates a significant amount of waste material, and machining operations like turning, hob-bing, and shaving are time consuming, and thus costly. By using PM the amount of waste material is radically decreased, and the net shape manufacturing method that includes compaction of metal powder and sintering ensures that machining operations, in most cases, are avoided. The manufacturing costs can therefore be significantly lowered.

The simplest way of manufacturing a PM part is by conventional compaction and sintering. By employing warm compaction, the density increases and hence the per-formance of the component is enhanced.

Gear rolling is a well-known technology for improving the shape and surface finish of solid steel gears. When applied to PM gears, rolling also enhances the fatigue properties since the density in the surfce region increases significantly. This technique, commonly termed surface densification, has been developed in order to increase the load bearing capacity of PM gears [1-8].

Gears produced by the three mentioned

manufacturing routes (conventional compac-tion, warm compaction, and surface densifica-tion) are described in this paper, and the per-formances are compared. The gear presented in this paper is a planetary gear in a heavy duty gearbox in a Scania truck. A picture of the gearbox is shown in figure 1, where the inves-

tigated gear is pointed out. The gear is char-acterized by a moderate module and positive addendum modification, and it weighs about 700 grams.

ExperimentalThe planetary gear used in this study is shown in figure 2. The gear data are given in table 1. Two powder grades were used as base materi-als for the gears: D. AB and Astaloy 85 Mo.

The compositions of the powder grades and the solid steel reference material, SS 92506, which is equivalent to DIN 21NiCrMo2 and SAE 8620H, are shown in table 2.

Three PM gear variants were manufactured according to the manufacturing routes lined out in figure 3. The gears were machined from

cylindrical blanks since there was no compaction tool available for this specific gear. Gears of variant 1 and 2 were machined to the final shape, while gears of variant 3 were machined to an over-measure, func-tioning as stock material that was compressed during the rolling opera-tion. The characteristics of the gears are shown in table 3.

The gears of variant 3 were sur-face densified by radial rolling. It was carried out in a two-roll burnishing machine commonly used for burnish-ing of solid steel gears (see figure 4). The gears were case hardened in Scania’s production line according to their standard process for solid steel gears. That process is optimized for solid steel gears and not for PM materials. The surface densified PM gears had therefore to be re-austeni-tised and quenched after the case hardening to obtain a satisfactory microstructure, since grain boundary ferrite was created in this material in Scania’s standard process. The tar-get case depth was 0.7-1.2 mm.

TestingThe gears were tooth root fatigue tested by Scania in a pulsator rig. Each tested gear was clamped three times with 60 degrees shift with two unloaded teeth between the two loaded teeth, as can be seen in the schematic in figure 5. The stress ratio (R-value) was selected to 0.1

in order to ensure continuous contact between the clamping device and the gear teeth. A tooth that could withstand the applied load for two-million cycles without failing was considered a run-out.

Residual stresses acquired from the case hardening were measure on all variants using electrolytic etching and x-ray diffraction. The densification and microstructure was character-ized using standard metallographic methods.

Bal.

Bal.

Bal.1.5*1.75*0.50*

0.200.55 0.550.500.20

0.28 0.85**

0.19

-

-

---

--

FeCu(%)

Ni(%)

Mo(%)

Cr(%)

Mn(%)

C(%)

*Diffusion alloyed, **Pre-alloyed, +Corresponds to DIN 21 NiCrMo2

Base material

D.AB+ 0.2%Graphite

Astaloy85Mo+ 0.3%

Graphite

SS 92506+

20

3.650

22.5°

0°

0.471

89.350

Helix angle !

Press angle "n

Normal module mn (mm)

Number of teeth Z

Addendum modification coefficient x

Over ball diameter (mm)

FIGURE 1:

SCANIA HEAVY TRUCK GEARBOX WITH THE INVESTIGATED PLANETARY GEAR

GEAR GEOMETRY

TABLE 1:

TABLE 2:

CHEMICAL COMPOSITIONS OF SINTERED MATERIALS AND SOLID STEEL REFERENCE

FIGURE 2:

gearsolutionsonline.com • JULY 2006 • GEAR SOLUTIONS 19

!"#$#%&'()(*+,)--###./!"#$#%&'()(*+,)--###./ 012.130###4530540#67012.130###4530540#67

20 GEAR SOLUTIONS • JULY 2006 • gearsolutionsonline.com

ResultsResultsDensification: 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.

Case Hardening: The micro hardness profiles of the case hardened PM gears and the solid 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 harden-ing. The hardness is roughly on the same level

FIGURE 3:

MANUFACTURING ROUTES FOR INVESTIGATED GEARS

FIGURE 4: FIGURE 5:

ROLLING EQUIPMENT USED FOR SURFACE DENSIFICATION OF GEAR

TOOTH ROOT FATIGUE TEST

TABLE 3:

CHARACTERISTICS OF INVESTIGATED GEARS

FIGURE 6:

CROSS SECTION OF (A) SURFACE DENSIFIED GEAR TOOTH AND (B) CLOSE UP ON GEAR FLANK

!"#$#%&'()(*+,)--###./!"#$#%&'()(*+,)--###./ 01231/0###45675..#8901231/0###45675..#89

34

BilagaA­4:Detestadekugghjulenshårdhet,mättmedVickers‐metoden.

BilagaA­5:Detestadekugghjulenslivslängder.

gearsolutionsonline.com • JULY 2006 • GEAR SOLUTIONS 21

through the cross section, and there is no dis-tinct case depth. The warm compacted gears (variant 2) with a sintered density of 7.44 g/cm3 have a more pronounced hardness profile. The case depth is 1.1 mm, which is within the specification, but the maximum hardness at the surface is significantly lower than the solid steel reference. The surface densified gears (variant 3) have a case depth of 1.2 mm. The maximum hardness at the surface is higher compared to the solid steel reference.

Tooth Root Fatigue Performance: The results from the tooth root fatigue test-

ing are shown in figure 8. It can be seen that the surface densified gears (variant 3) obtained the highest endurance limit, 33kN. The endurance limit for the solid steel refer-ence is 31 kN. From the S-N diagram it can be seen that the non-densified PM materials withstood the loads for a smaller number of cycles than the solid steel reference. The testing of the non-surface densified materi-als was interrupted before full Wöhler curves were acquired. The endurance limits for the non-densified PM gears (variant 1 and 2) are thus not known. It can however be seen that employing warm compaction and hence

increasing the density compared to conven-tional compaction elevates the tooth root fatigue performance.

Residual Stresses: Figure 9 shows the resid-ual stresses in the near surface regions of the tested gears. The conventional compacted gears (variant 1) showed very small residual compressive stresses near the surface. This can be explained by the flat hardness profile. The warm compacted variant shows residual compressive stresses at the surface, while the solid steel reference shows residual tensile stresses at the surface. It is disadvantageous

0

200

400

600

800

1000

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Distance from surface (mm)

1. Conv. Compacted

2. Warm Compacted

3. Surface Densified

4. Reference SS92506

HARDNESS PROFILES

20

25

30

35

40

45

50

1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07

No. of cycles

1. CC

2.WC

3. Surface Densified

4. Solid Steel

20

25

30

35

40

45

50

1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07

No. of cycles

1. CC

2.WC

3. Surface Densified

4. Solid Steel

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14

Distance from surface (mm)

1. Conv. Compacted2. Warm Compacted3. Surface Densified4. Solid steel reference

RESIDUAL STRESSES IN AFTER CASE HARDENINGTOOTH ROOT FATIGUE RESULTS

FIGURE 9: FIGURE 8: FIGURE 7:

www.hanikcorp.comHANIK CORPORATION271 E. BEINORIS DRIVE // WOOD DALE, IL 60191

PHONE 630-595-7333 // FAX 630-595-7343

SWISS PRECISIONFROM:

ph: 011-41-32-344-0400fax: 011-41-32-344-0404

www.schnyder.commail@schnyder.com

gearsolutionsonline.com • JULY 2006 • GEAR SOLUTIONS 21

through the cross section, and there is no dis-tinct case depth. The warm compacted gears (variant 2) with a sintered density of 7.44 g/cm3 have a more pronounced hardness profile. The case depth is 1.1 mm, which is within the specification, but the maximum hardness at the surface is significantly lower than the solid steel reference. The surface densified gears (variant 3) have a case depth of 1.2 mm. The maximum hardness at the surface is higher compared to the solid steel reference.

Tooth Root Fatigue Performance: The results from the tooth root fatigue test-

ing are shown in figure 8. It can be seen that the surface densified gears (variant 3) obtained the highest endurance limit, 33kN. The endurance limit for the solid steel refer-ence is 31 kN. From the S-N diagram it can be seen that the non-densified PM materials withstood the loads for a smaller number of cycles than the solid steel reference. The testing of the non-surface densified materi-als was interrupted before full Wöhler curves were acquired. The endurance limits for the non-densified PM gears (variant 1 and 2) are thus not known. It can however be seen that employing warm compaction and hence

increasing the density compared to conven-tional compaction elevates the tooth root fatigue performance.

Residual Stresses: Figure 9 shows the resid-ual stresses in the near surface regions of the tested gears. The conventional compacted gears (variant 1) showed very small residual compressive stresses near the surface. This can be explained by the flat hardness profile. The warm compacted variant shows residual compressive stresses at the surface, while the solid steel reference shows residual tensile stresses at the surface. It is disadvantageous

0

200

400

600

800

1000

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Distance from surface (mm)

1. Conv. Compacted

2. Warm Compacted

3. Surface Densified

4. Reference SS92506

HARDNESS PROFILES

20

25

30

35

40

45

50

1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07

No. of cycles

1. CC

2.WC

3. Surface Densified

4. Solid Steel

20

25

30

35

40

45

50

1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07

No. of cycles

1. CC

2.WC

3. Surface Densified

4. Solid Steel

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14

Distance from surface (mm)

1. Conv. Compacted2. Warm Compacted3. Surface Densified4. Solid steel reference

RESIDUAL STRESSES IN AFTER CASE HARDENINGTOOTH ROOT FATIGUE RESULTS

FIGURE 9: FIGURE 8: FIGURE 7:

www.hanikcorp.comHANIK CORPORATION271 E. BEINORIS DRIVE // WOOD DALE, IL 60191

PHONE 630-595-7333 // FAX 630-595-7343

SWISS PRECISIONFROM:

ph: 011-41-32-344-0400fax: 011-41-32-344-0404

www.schnyder.commail@schnyder.com

Force;kN

Hardness;HV100

35

BilagaA­6:Residualaspänningaridetestadekugghjulen.

gearsolutionsonline.com • JULY 2006 • GEAR SOLUTIONS 21

through the cross section, and there is no dis-tinct case depth. The warm compacted gears (variant 2) with a sintered density of 7.44 g/cm3 have a more pronounced hardness profile. The case depth is 1.1 mm, which is within the specification, but the maximum hardness at the surface is significantly lower than the solid steel reference. The surface densified gears (variant 3) have a case depth of 1.2 mm. The maximum hardness at the surface is higher compared to the solid steel reference.

Tooth Root Fatigue Performance: The results from the tooth root fatigue test-

ing are shown in figure 8. It can be seen that the surface densified gears (variant 3) obtained the highest endurance limit, 33kN. The endurance limit for the solid steel refer-ence is 31 kN. From the S-N diagram it can be seen that the non-densified PM materials withstood the loads for a smaller number of cycles than the solid steel reference. The testing of the non-surface densified materi-als was interrupted before full Wöhler curves were acquired. The endurance limits for the non-densified PM gears (variant 1 and 2) are thus not known. It can however be seen that employing warm compaction and hence

increasing the density compared to conven-tional compaction elevates the tooth root fatigue performance.

Residual Stresses: Figure 9 shows the resid-ual stresses in the near surface regions of the tested gears. The conventional compacted gears (variant 1) showed very small residual compressive stresses near the surface. This can be explained by the flat hardness profile. The warm compacted variant shows residual compressive stresses at the surface, while the solid steel reference shows residual tensile stresses at the surface. It is disadvantageous

0

200

400

600

800

1000

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Distance from surface (mm)

1. Conv. Compacted

2. Warm Compacted

3. Surface Densified

4. Reference SS92506

HARDNESS PROFILES

20

25

30

35

40

45

50

1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07

No. of cycles

1. CC

2.WC

3. Surface Densified

4. Solid Steel

20

25

30

35

40

45

50

1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07

No. of cycles

1. CC

2.WC

3. Surface Densified

4. Solid Steel

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14

Distance from surface (mm)

1. Conv. Compacted2. Warm Compacted3. Surface Densified4. Solid steel reference

RESIDUAL STRESSES IN AFTER CASE HARDENINGTOOTH ROOT FATIGUE RESULTS

FIGURE 9: FIGURE 8: FIGURE 7:

www.hanikcorp.comHANIK CORPORATION271 E. BEINORIS DRIVE // WOOD DALE, IL 60191

PHONE 630-595-7333 // FAX 630-595-7343

SWISS PRECISIONFROM:

ph: 011-41-32-344-0400fax: 011-41-32-344-0404

www.schnyder.commail@schnyder.com

Stress,MPA

36

BilagaB–Bilagortillfallstudie2Allagraferochtabellerärtagnaurfallstudie2.

Material Ni Mo Cr MnAISI8620 0.38‐0.55 0.1‐0.2 0.50 0.92DM‐222 1.0‐2.0 0.7‐0.9 0 0.1‐0.3

Bilaga B­1: Metallegeringarnas sammansättning. Alla tal i procent. Fe utgör denresterandevolymen

BilagaB­2:Geometrinfördetestadekugghjulen.

BilagaB­3:Densitetsförändringsomfunktionavdjupinimaterialet.

gearsolutionsonline.com • AUGUST 2007 • GEAR SOLUTIONS 47

flank using the DensiForm process. The typical DensiForm process is outlined in Fig. 4. A sintered preform is produced by the traditional steps of blending or bonding the powder, compacting the preform in a die, and final sintering. The sintered preform is subsequently subjected to a precision cold forming process. Depending on the geometry of the part and the location of the sur-face to be densified, several variants of the process have been developed. All process variants apply specific cold forming to selected surfaces of the part where a highly localized deformation is achieved. The deformation results in local densification up to full density. All the test gears were heat treated at the same time, with the aim to achieve a 0.6 to 0.8 mm case depth.

ResultsFigure 5 gives an overview of the deep root and flank densification of the test pinion (> 0.2 mm fully dense layer). A typical representation of the shallow densification version of the test pinion (< 0.10 mm dense layer) is shown in figure 6.

Figure 7 presents the density profiles

yGear Details Pinion Wheel

Module (mm) 2.0 2.0Number of Teeth 30 45Face Width (mm) 10 45

Tooth Thickness (mm) 21.35 +/- 0.05 over 4 teeth

33.58 +/- 0.05 0ver 6 teeth

Addendum (mm) 2.0 2.0Dedendum (mm) 2.8 2.8

Surface Finish; Ra µm <0.4 <0.4

TABLE 2: TEST GEAR GEOMETRY

!

"#$%&'()& *(+#,-)&'()&./'&01&233&4(%5&

67&89&:;;(%(<#&

=()%,-%(>+ ?@ !A

9(+(>+&/B##;& C333&,BA

D5##)&/B##;& ?333&,BA

1#-,&E#+%#,&F($%-+G#& H@&AA

IJ)K&'()&"#AB#,-%J,#& H3LE

TABLE 3: BACK-TO-BACK TESTING CONDITIONS

FIGURE 3: TEST SET-UP FOR THE BACK-TO-BACK BENDING TESTFIGURE 2: TEST SET-UP FOR SINGLE TOOTH BENDING TEST

gearsolutionsonline.com • AUGUST 2007 • GEAR SOLUTIONS 49

Depth; mm

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Den

sity

; g/c

m3

7.0

7.2

7.4

7.6

7.8

8.0

Density;Deep LayerDensity; Shallow Layer

Microhardness Profiles of Test Gears

Depth Below Surface; mm

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Kn

oo

p H

ard

ne

ss N

um

be

rs (

Lo

ad

:10

0 g

f)

100

200

300

400

500

600

700

800

900

AISI 8620

DM-222 Deep Layer

DM-222 Shallow Layer

FIGURE 7: DENSI-TY PROFILES OF POWDER METAL SURFACE DENSI-FIED GEARS

FIGURE 8: MI-CROHARDNESS PROFILES OF TEST GEARS

FIGURE 9: CASE MICROSTRUCTURE OF POWDER METAL PINION (A) AND WROUGHT STEEL PINION (B)

FIGURE 10: RESIDUAL STRESS PROFILES MEASURED AT THE TOOTH ROOT

A B

Please see us at Gear Expo Booth # 712

37

BilagaB­4:Uppmättaresidualaspänningarorsakadeavdensitetsskillnader.

BilagaB­5:Utmattningsgränsförenskildkugge.

gearsolutionsonline.com • AUGUST 2007 • GEAR SOLUTIONS 49

Depth; mm

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Den

sity

; g/c

m3

7.0

7.2

7.4

7.6

7.8

8.0

Density;Deep LayerDensity; Shallow Layer

Microhardness Profiles of Test Gears

Depth Below Surface; mm

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Knoop H

ard

ness N

um

bers

(Load:1

00 g

f)

100

200

300

400

500

600

700

800

900

AISI 8620

DM-222 Deep Layer

DM-222 Shallow Layer

FIGURE 7: DENSI-TY PROFILES OF POWDER METAL SURFACE DENSI-FIED GEARS

FIGURE 8: MI-CROHARDNESS PROFILES OF TEST GEARS

FIGURE 9: CASE MICROSTRUCTURE OF POWDER METAL PINION (A) AND WROUGHT STEEL PINION (B)

FIGURE 10: RESIDUAL STRESS PROFILES MEASURED AT THE TOOTH ROOT

A B

Please see us at Gear Expo Booth # 712

50 GEAR SOLUTIONS • AUGUST 2007 • gearsolutionsonline.com

Number of Cycles to Failure

1e+3 1e+4 1e+5 1e+6 1e+7

Str

ess;

MP

a

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

DM-222

AISI 8620

All points on this line are runouts

Number of Cycles to Failure

1e+3 1e+4 1e+5 1e+6 1e+7

Str

ess;

MP

a

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

DM-222

AISI 8620

All points on this line are runouts All Points on this line are runouts

Number of Cycles to Failure

1e+4 1e+5 1e+6 1e+7T

orqu

e; N

m100

120

140

160

180

200

220

240

Str

ess;

MP

a

600

800

1000

1200

DM-222AISI 8620

All Points on this line are runouts

Number of Cycles to Failure

1e+4 1e+5 1e+6 1e+7T

orqu

e; N

m100

120

140

160

180

200

220

240

Str

ess;

MP

a

600

800

1000

1200

DM-222AISI 8620

All Points on this line are runouts

Number of Cycles to Failure

1e+4 1e+5 1e+6 1e+7T

orqu

e; N

m100

120

140

160

180

200

220

240

Str

ess;

MP

a

600

800

1000

1200

DM-222AISI 8620

Number of Cycles to Failure

1e+4 1e+5 1e+6 1e+7

Tor

que;

Nm

160

180

200

220

240

DM-222 Deep LayerDM-222 Shallow Layer

FIGURE 12: BACK-TO-BACK BENDING FATIGUE OF AISI 8620 GEARS AND POWDER METAL GEARS WITH DEEP DENSIFICATION

FIGURE 13: BACK-TO-BACK BENDING FATIGUE OF DEEP AND SHALLOW DENSIFIED POWDER METAL GEARS

FIGURE 14: SEM FRACTOGRAPHS SHOWING CRACK INITIATION IN AISI 8620: (A) CRACK ORI-GIN AT THE ROOT; (B) HIGH MAGNIFICATION OF THE CRACK ORIGIN SHOWING INTERGRANULAR INITIATION

FIGURE 11: SINGLE TOOTH BENDING FATIGUE OF AISI 8620 GEARS AND POWDER METAL GEARS WITHDEEP DENSIFICATION

A

B

38

Bilaga B­6: Utmattningsgränser för djupt ytförtätat kugghjul och referenskugghjul iingrepp.

Bilaga B­7: Utmattningsgränser för djupt ytförtätat och grunt ytförtätat kugghjul iingrepp.

50 GEAR SOLUTIONS • AUGUST 2007 • gearsolutionsonline.com

Number of Cycles to Failure

1e+3 1e+4 1e+5 1e+6 1e+7

Str

ess;

MP

a

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

DM-222

AISI 8620

All points on this line are runouts

Number of Cycles to Failure

1e+3 1e+4 1e+5 1e+6 1e+7

Str

ess;

MP

a

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

DM-222

AISI 8620

All points on this line are runouts All Points on this line are runouts

Number of Cycles to Failure

1e+4 1e+5 1e+6 1e+7

Tor

que;

Nm

100

120

140

160

180

200

220

240

Str

ess;

MP

a

600

800

1000

1200

DM-222AISI 8620

All Points on this line are runouts

Number of Cycles to Failure

1e+4 1e+5 1e+6 1e+7

Tor

que;

Nm

100

120

140

160

180

200

220

240

Str

ess;

MP

a

600

800

1000

1200

DM-222AISI 8620

All Points on this line are runouts

Number of Cycles to Failure

1e+4 1e+5 1e+6 1e+7

Tor

que;

Nm

100

120

140

160

180

200

220

240

Str

ess;

MP

a

600

800

1000

1200

DM-222AISI 8620

Number of Cycles to Failure

1e+4 1e+5 1e+6 1e+7

Tor

que;

Nm

160

180

200

220

240

DM-222 Deep LayerDM-222 Shallow Layer

FIGURE 12: BACK-TO-BACK BENDING FATIGUE OF AISI 8620 GEARS AND POWDER METAL GEARS WITH DEEP DENSIFICATION

FIGURE 13: BACK-TO-BACK BENDING FATIGUE OF DEEP AND SHALLOW DENSIFIED POWDER METAL GEARS

FIGURE 14: SEM FRACTOGRAPHS SHOWING CRACK INITIATION IN AISI 8620: (A) CRACK ORI-GIN AT THE ROOT; (B) HIGH MAGNIFICATION OF THE CRACK ORIGIN SHOWING INTERGRANULAR INITIATION

FIGURE 11: SINGLE TOOTH BENDING FATIGUE OF AISI 8620 GEARS AND POWDER METAL GEARS WITHDEEP DENSIFICATION

A

B

50 GEAR SOLUTIONS • AUGUST 2007 • gearsolutionsonline.com

Number of Cycles to Failure

1e+3 1e+4 1e+5 1e+6 1e+7

Str

ess;

MP

a

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

DM-222

AISI 8620

All points on this line are runouts

Number of Cycles to Failure

1e+3 1e+4 1e+5 1e+6 1e+7

Str

ess;

MP

a

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

DM-222

AISI 8620

All points on this line are runouts All Points on this line are runouts

Number of Cycles to Failure

1e+4 1e+5 1e+6 1e+7

Tor

que;

Nm

100

120

140

160

180

200

220

240

Str

ess;

MP

a

600

800

1000

1200

DM-222AISI 8620

All Points on this line are runouts

Number of Cycles to Failure

1e+4 1e+5 1e+6 1e+7

Tor

que;

Nm

100

120

140

160

180

200

220

240

Str

ess;

MP

a

600

800

1000

1200

DM-222AISI 8620

All Points on this line are runouts

Number of Cycles to Failure

1e+4 1e+5 1e+6 1e+7

Tor

que;

Nm

100

120

140

160

180

200

220

240

Str

ess;

MP

a

600

800

1000

1200

DM-222AISI 8620

Number of Cycles to Failure

1e+4 1e+5 1e+6 1e+7

Tor

que;

Nm

160

180

200

220

240

DM-222 Deep LayerDM-222 Shallow Layer

FIGURE 12: BACK-TO-BACK BENDING FATIGUE OF AISI 8620 GEARS AND POWDER METAL GEARS WITH DEEP DENSIFICATION

FIGURE 13: BACK-TO-BACK BENDING FATIGUE OF DEEP AND SHALLOW DENSIFIED POWDER METAL GEARS

FIGURE 14: SEM FRACTOGRAPHS SHOWING CRACK INITIATION IN AISI 8620: (A) CRACK ORI-GIN AT THE ROOT; (B) HIGH MAGNIFICATION OF THE CRACK ORIGIN SHOWING INTERGRANULAR INITIATION

FIGURE 11: SINGLE TOOTH BENDING FATIGUE OF AISI 8620 GEARS AND POWDER METAL GEARS WITHDEEP DENSIFICATION

A

B

39

BilagaC–Bilagortillfallstudie3Allagraferochtabellerärtagnaurfallstudie3.

BilagaC­1:Resultatavundersökningavlivslängdförolikaförtätningstekniker.

Bilaga C­2:Mekaniska egenskaper i longitudinell/transversal riktning för testdetaljeravsmittstålAISI8620.! "#

$%&'()(%&*!(*!*+%,&!(&!-./01!23!!45#!6%00(&7!$%&).$)!8.)(791!0(81!8%6!*968.$1!'1&*(8(1'!:;<=>??#5!

8%6!/%)+!*(&)16(&7!$%&'()(%&*!.61!1@9(A.01&)!)%!B%,'16!8%671'!:;<=>??#5!.)!)+1!"C##!D!=###!EF.!G16)H!$%&).$)!*)61**3!!I968.$1!'1&*(8(1'!:;<=>??#5!*(&)161'!.)!=#5#!J:!K""=#!JLM!+.*!761.)16!

*$.))16!(&!)1*)!'.).!.*!&%)1'!/N!)+1!4"#D4C#!6.)(%3!!G%,1A16O!+(7+!)1PB16.)961!*(&)16(&7!%8!:;<>

??#5!$%9B01'!,()+!*968.$1!'1&*(8($.)(%&!61'9$1*!)1*)!*$.))16!)%!&1.60N!)+1!*.P1!.*!)+1!B%,'16!

8%671'!*.PB01*!.&'!.BB6%.$+(&7!)+1!*$.))16!%8!)+1!,6%97+)!*)110*3!!Q7.(&O!()!(*!)+.)!45#!0(81!.)!"C##!D!=###!EF.!%8!1()+16!*968.$1!'1&*(8(1'!%6!B%,'16!8%671'!:;<=>??#5!.61!1@9.0!)%!)+1!QRIR!

5"=#!/.*10(&1!P.)16(.03!!S%00(&7!$%&).$)!8.)(791!.)!=5##!EF.!(*!61'9$1'!610.)(A1!)%!QRIR!5"=#!

/.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!!!

!!

!"#$%&'&

(%)*$+)&,-&%".$/%.&(,$$/01&2,0+"2+&-"+/1*%&!%)+/01&,-&3*.-"2%&4%0)/-/%4&56789::;<&

!!

="+%./"$& >& 3/0+%.&

?,04/+/,0&

@%.+A&3+.%))&

6%B%$C&=D"&

E<;&$/-%C&F&

G;H&2I2$%)&

("+/,&,-&EG;&>&

EJ;&$/B%)&

3$,K%&,-&397&

?*.B%&

"C##! "V3#! "!W!"#!=#5#!J:!K""=#!JLM!

IX! =5##! =3U! "!W!?3T!U35!

"C##! "#3#! "!W!=3#!=2##!J:!K"=U#!JLM!

IX! =5##! =3T! "!W!23=!?3U!

"C##! "C3#! "!W!23#!=2##!J:!K"=U#!JLM!IX!.&'!.&&1.01'! =5##! "3V! "!W!=35!

C3#!

"C##! "23#! "!W!"3C!F%,'16!8%671'!!D!!

""=#!JL! =5##! =3"! "!W!"3C!U35!

=###! "23#! "!W!=3U!F%,'16!8%671'!!D!!"=U#!JL! =5##! =3"! "!W!"3C!

T3#!

=###! =#3#! "!W!"3T!QRIR!TU=#!

=5##! ?3=! "!W!=3V!V3#!

"C##! "U3#! "!W!"3T!QRIR!5"=#!

=5##! U3"! "!W!"3V!235!

!S10.)(A1!)%!)+1!1881$)*!%8!&($Y10!6($+!617(%&*!61*90)(&7!86%P!101P1&).0!&($Y10!.''()(%&*O!)1*)(&7!%8!

B%,'16!8%671'!:;<=>??#5!A16(8(1'!)+1!$6.$Y!(&()(.)(%&!.&'!B6%B.7.)(%&!&.)961!%8!)+1*1!

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!

'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!

&($Y10!6($+!P($6%*)69$)96.0!81.)961*3!!S1*('9.0!B%6%*()N!(&!)+1*1!.61.*!%$$96*!/1$.9*1!%8!'(88161&$1*!(&!*)61&7)+!%8!)+1!A.6(%9*!P($6%*)69$)96.0!101P1&)*3!!R&!617.6'!)%!)+1!B%,'16>8%671'!

*.PB01*!%8!:;<=>??#5O!&%!1A('1&$1!%8!61*('9.0!B%6%*()N!.'].$1&)!)%!&($Y10!6($+!617(%&*!,.*!

8%9&'3!!-+1618%61O!)+1!.**9PB)(%&!)+.)!)+1!61'9$)(%&!(&!6%00(&7!$%&).$)!8.)(791!0(81!%$$96*!/1$.9*1!

%8!)+1*1!617(%&*!(*!'1)16P(&1'!1PB(6($.00N3!!G%,1A16O!&($Y10!6($+!617(%&*!,()+(&!)+1!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!

$6.$Y!(&()(.)(%&!.&'!B6%B.7.)(%&3!!!!

!

!

! "

#$%&'()!*)++,*!-*!.&%)+/!0%$!)(+!,%1'-)&/-12,!/-$+3)-%1!%1,45!!6%#+7+$8!/+9+1/-1'!%1!)(+!)49+!%0!

'+2$-1'8!299,-+/!'+2$!,%2/-1'!3%&,/!:+!3%;9,+)+,4!-1!)(+!)$21*7+$*+!/-$+3)-%1!<*9&$!'+2$*=!%$!*%;+!7+3)%$!0&13)-%1!%0!:%)(!,%1'-)&/-12,!21/!)$21*7+$*+!9$%9+$)-+*!<(+,-32,!'+2$*=5!!>,,!*2;9,+*!#+$+!

;23(-1+/!0$%;!(%)!$%,,+/!$%&1/!:2$!*)%3?8!2&*)+1-)-@+/!2)!ABCC!DE!<FG"!DH=8!%-,!.&+13(+/!21/!

)+;9+$+/!2)!ICC!DE!!!!!!<GC"!DH=5!!J2:,+!G!9$+*+1)*!)(+!/2)2!/+7+,%9+/!0%$!)(+!>KLK!MNGC!;2)+$-2,5!!!

!

"#$%&!'!

(&)*#+,)#%!-./0&.1,&2!/3!45"!6787!9:';!#+<!

=>?'@AA;B!#1!CDA;!EF)GH!I/.&!J&+2,1K!!

6787!9:';!-./0&.1K!

>/+E,1L<,+#%! ".#+2M&.2&!

-F(!#1!CDA;!N!

EF)GH!O!

O-+,/!L)$+1')(!PQJ8!ACR!9*-!<ST2=!

A"N!<ACB"=! A"I!<ACBC=! AMC!<AGIC=!

U,)-;2)+!J+1*-,+!L)$+1')(!PQJ8!

ACR!9*-!<ST2=!AFB!<AV""=! AFV!<AVVC=! GAC!<AII"=!

J+1*-,+!W,%1'2)-%18!X! M5C! N5A! A5C!

PQJ!62$/1+**8!6Y2! BC5N! NF5V! MA!

K;923)!Z%)3(+/8!!

0)5,:0!<[%&,+=!GB!<VB=! AC!<AI=! Z\>!

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"=!

!

! ^! _2)2!0$%;!STKE!L)21/2$/!V"!`Ma!!

J,2)L22,/+P!

!

!"##$%&'("%)*+)',*)$&-.''!

Y%,,-1'!3%1)23)!02)-'&+!$+*&,)*!9$+*+1)+/!-1!J2:,+!A!-1/-32)+!)(2)!32$:&$-@+/!>KLK!MNGC!+72,&2)+/!

-1!)(-*!*&;;2$4!*(%#+/!*&9+$-%$!$%,,-1'!3%1)23)!02)-'&+!9+$0%$;213+!$+,2)-7+!)%!>KLK!"AGC!2)!GCCC!ST2!3%1)23)!*)$+**5!!L-;-,2$,48!9%#/+$!0%$'+/!E]ZGbIIC"!*-1)+$+/!2)!GVCC!DE!<AGNC!DH=!

2,*%!*(%#+/!*&9+$-%$!,-0+!)%!)(+!:2*+!,-1+!>KLK!"AGC!;2)+$-2,!2)!GCCC!ST25!!6%#+7+$8!E]ZGbIIC"!

*-1)+$+/!2)!GC"C!DE!<AAGC!DH=!21/!*&:*+.&+1),4!9%#/+$!0%$'+/!(2/!$%,,-1'!3%1)23)!02)-'&+!,-0+!cGCX!,%#+$!)(21!)(+!:2*+!,-1+!>KLK!"AGC!;2)+$-2,5!!Y%,,-1'!3%1)23)!02)-'&+!9+$0%$;213+!2)!G"CC!

ST2!#2*!*-'1-0-321),4!/-00+$+1)d!2,,!;2)+$-2,*!+72,&2)+/!-1!)(-*!*)&/4!*(%#+/!$%,,-1'!3%1)23)!

02)-'&+!,-0+!,%#+$!3%;92$+/!)%!>KLK!"AGC5!!J(-*!$+*&,)!#2*!&1+e9+3)+/!:+32&*+!9$+7-%&*!)+*)-1'!

:4!H(+1!+)2,5!*(%#+/!)(2)!>KLK!MNGC!;2)+$-2,!(2/!$%,,-1'!3%1)23)!02)-'&+!,-0+!+.&2,!)%!%$!*&9+$-%$!)%!)(+!>KLK!"AGC!*)++,5!`Fa!!

!

J%!-17+*)-'2)+!9%)+1)-2,!$+2*%1*!0%$!)(+!/-00+$+13+!-1!$%,,-1'!3%1)23)!02)-'&+!:+(27-%$!2)!G"CC!ST28!2,,!*2;9,+*!#+$+!+e2;-1+/!;+)2,,%'$29(-32,,45!!H2*+!21/!3%$+!;-3$%*)$&3)&$+*!%0!)(+!)($++!

;2)+$-2,*!2$+!9$+*+1)+/!2*!E-'&$+!A!)($%&'(!E-'&$+!V5!!!!!J%)2,!32*+!/+9)(!0%$!+23(!;2)+$-2,!-*!

299$%e-;2)+,4!MCC!;-3$%1*5!!>KLK!MNGC!(2*!2!,%#!32$:%1!;2$)+1*-)-3!3%$+!#-)(!2!#+,,b/+0-1+/!:%&1/2$4!:+)#++1!32*+!21/!3%$+!;-3$%*)$&3)&$+5!!J(+!32$:&$-@+/!32*+!;-3$%*)$&3)&$+!*(%#*!21!

23-3&,2$!)49+!;2$)+1*-)-3!*)$&3)&$+!#-)(!+7-/+13+!%0!$+)2-1+/!2&*)+1-)+5!!J(+!3%$+!-*!+**+1)-2,,4!2!

,%#!32$:%1!;2$)+1*-)-3!;-3$%*)$&3)&$+5!!f%)(!9%#/+$b0%$'+/!*2;9,+*!*(%#!2!32*+!;-3$%*)$&3)&$+!

3%1)2-1-1'!23-3&,2$!;2$)+1*-)-3!#-)(!+7-/+13+!%0!$+)2-1+/!2&*)+1-)+5!!H%$+!;-3$%*)$&3)&$+*!%0!)(+!9%#/+$b0%$'+/!*2;9,+*!2$+!9$+/%;-121),4!,2)(!)49+!;2$)+1*-)+5!!>*!+e9+3)8!9%#/+$!0%$'+/!

40

BilagaC­3:Hårdhetsprofilfördetaljavsmittochhärdatstål.

BilagaC­4:Hårdhetsprofilförhärdaddetaljtillverkatgenompulvergjutning

! "

! !

#!$! #!%!

!"#$%&'()! &'()*+$),-.//!0)$1.)/./!*2!3$456./!71$68$9.,!! ! ! #!$! :$)%8)';.,!<=3=!">?@!

! ! ! #!%! :$)%8)';.,!ABC?D##@E!

!

<-$6F/'/!*2!9+.!5'99'-G!/+*H.,!,'22.).-(./!%.9H..-!9+.!<=3=!">?@!$-,!9+.!5*H,.)!2*)G.,!/$456./I!!J.-.)$66FK!5'99'-G!*2!<=3=!">?@!/$456./!H$/!4*/96F!/8%/8)2$(.!*)'G'-$9'-G!$9!9+.!,.59+!

*2!4$L'484!/8%/8)2$(.!/+.$)!/9).//!M/..!A'G8).!ENI!!O*9+!5*H,.)!2*)G.,!/$456./!/..4.,!9*!+$1.!

$!G).$9.)!9.-,.-(F!2*)!()$(P!'-'9'$9'*-!$9!9+.!/8)2$(.!H+'(+!9+.-!5)*(..,.,!'-9*!9+.!(*).!4$9.)'$6!MA'G8).!>NI!!0+.).!H$/!$6/*!.1',.-(.!*2!,..5!/8%/8)2$(.!()$(P'-G!$9!,.59+/!%.6*H!9+.!,.59+!*2!

4$L'484!/+.$)!/9).//!MA'G8).!QNI!!R'22.).-(./!'-!4'()*+$),-.//!5)*2'6./!/8GG./9!9+$9!9+.!5*H,.)D

2*)G.,!/$456./!4*).!(6*/.6F!)./.4%6.!$!9+)*8G+D+$),.-.,!4$9.)'$6!$-,!9+.).2*).!/+*86,!5*//.//!

6*H.)!)*66'-G!(*-9$(9!2$9'G8.!6'2.I!!STTU!!

!

!

'!"#$%&'*)! 38%/8)2$(.!()$(P'-G!*%/.)1.,!'-!($)%8)';.,!<=3=!">?@K!/$456.!.1$68$9.,!$9!?E@@!

&V$I!!!

!!"#$%&'$()*++,-.,/,0123,/#'+*,&'$(*)*(

!

"!!

#!!

$!!

%!!

&!!

'!!

(!!

)!!

*!!

!+!! !+#! !+%! !+'! !+)! "+!! "+#! "+%! "+'! "+)! #+!!

+45+4$6'#*,(*78&,9::;

-<,=33

!"#$%&'$()*++,-.,/>?@/A

!

"!!

#!!

$!!

%!!

&!!

'!!

(!!

)!!

*!!

!+!! !+#! !+%! !+'! !+)! "+!! "+#! "+%! "+'! "+)! #+!!

+45+4$6'#* ,(*78&,9::;

-<,=33

,

! "

! !

#!$! #!%!

!"#$%&'()! &'()*+$),-.//!0)$1.)/./!*2!3$456./!71$68$9.,!! ! ! #!$! :$)%8)';.,!<=3=!">?@!

! ! ! #!%! :$)%8)';.,!ABC?D##@E!

!

<-$6F/'/!*2!9+.!5'99'-G!/+*H.,!,'22.).-(./!%.9H..-!9+.!<=3=!">?@!$-,!9+.!5*H,.)!2*)G.,!/$456./I!!J.-.)$66FK!5'99'-G!*2!<=3=!">?@!/$456./!H$/!4*/96F!/8%/8)2$(.!*)'G'-$9'-G!$9!9+.!,.59+!

*2!4$L'484!/8%/8)2$(.!/+.$)!/9).//!M/..!A'G8).!ENI!!O*9+!5*H,.)!2*)G.,!/$456./!/..4.,!9*!+$1.!

$!G).$9.)!9.-,.-(F!2*)!()$(P!'-'9'$9'*-!$9!9+.!/8)2$(.!H+'(+!9+.-!5)*(..,.,!'-9*!9+.!(*).!4$9.)'$6!MA'G8).!>NI!!0+.).!H$/!$6/*!.1',.-(.!*2!,..5!/8%/8)2$(.!()$(P'-G!$9!,.59+/!%.6*H!9+.!,.59+!*2!

4$L'484!/+.$)!/9).//!MA'G8).!QNI!!R'22.).-(./!'-!4'()*+$),-.//!5)*2'6./!/8GG./9!9+$9!9+.!5*H,.)D

2*)G.,!/$456./!4*).!(6*/.6F!)./.4%6.!$!9+)*8G+D+$),.-.,!4$9.)'$6!$-,!9+.).2*).!/+*86,!5*//.//!

6*H.)!)*66'-G!(*-9$(9!2$9'G8.!6'2.I!!STTU!!

!

!

'!"#$%&'*)! 38%/8)2$(.!()$(P'-G!*%/.)1.,!'-!($)%8)';.,!<=3=!">?@K!/$456.!.1$68$9.,!$9!?E@@!

&V$I!!!

!!"#$%&'$()*++,-.,/,0123,/#'+*,&'$(*)*(

!

"!!

#!!

$!!

%!!

&!!

'!!

(!!

)!!

*!!

!+!! !+#! !+%! !+'! !+)! "+!! "+#! "+%! "+'! "+)! #+!!

+45+4$6'#*,(*78&,9::;

-<,=33

!"#$%&'$()*++,-.,/>?@/A

!

"!!

#!!

$!!

%!!

&!!

'!!

(!!

)!!

*!!

!+!! !+#! !+%! !+'! !+)! "+!! "+#! "+%! "+'! "+)! #+!!

+45+4$6'#* ,(*78&,9::;

-<,=33

,