The fundamental aspects of rising argon bubbles in molten metal flow were investigated by numerical simulations. The process of a bubble rising in the molten metal includes two steps, one is the bubble rising inside the liquid, and the other one is the bubble rising across the liquid surface. The bubbling dynamics inside the liquid phase was studied in terms of the bubble’s trajectory, shape and terminal velocity over a wide range of bubble diameters. The flow was assumed to be laminar. The results show that 3~10 mm bubbles rise in a spiral way with strong instabilities which cause them to change their instantaneous shapes. In addition, 10~20 mm bubbles rise rectilinearly and their shapes are kept almost steady. All these bubbles’ terminal velocities are around 0.3 m/s, which are in accordance with literature data. For a bubble with a specific size, small metal droplets can be formed due to the bubble bursting which takes place at the free surface. In a situation when the top surface of the bubble is ruptured, the remains of the bubble will collapse and jet droplets may be formed. Therefore, the simulations of jet droplets were qualitatively analyzed. The results show that when the surface tension is 1.4 N/m, the critical bubble size is 9.3 mm. Also, the ejection is found to increase with an increased surface tension value, unless a critical bubble size is reached. The bubble formation during gas injection into liquids was studied by using a water model and a three-dimensional numerical model. In the experiment, a high-speed camera was used to record the bubble formation processes. Nozzle diameters of 0.5 mm, 1 mm and 2 mm were investigated under both wetting and non-wetting conditions. The bubble sizes and formation frequencies as well as the bubbling regimes were identified for each nozzle size and for different wettabilities. The results show that the upper limits of the bubbling regime were 7.35 L/h, 12.05 L/h and 15.22 L/h under wetting conditions for the 0.5 mm, 1 mm and 2 mm nozzle diameters, respectively. Meanwhile, the limits were 12.66 L/h, 13.64 L/h and 15.33 L/h for the non-wetting conditions. In the numerical model, the Volume-of-Fluid (VOF) method was used to track the interface between the gas and liquid. The simulation results were compared with the experimental observations in the air-water system. The comparisons show a satisfactory good agreement between the two methods. The mathematical model was then applied to simulate the argon-steel system. Simulation results show that the effect of nozzle size is insignificant for the current studied metallurgical conditions. The upper limits of the bubbling regime were approximate 60 L/h and 80 L/h for a 2 mm nozzle and for wetting and non-wetting conditions, respectively. In addition, a poor wettability leads to a bigger bubble size and a lower frequency compared to a good wettability, for the same gas flow rate. / <p>QC 20150504</p>

Shape rolling is a common manufacturing process used to produce long products i.e. bars and wire. One of the problems that might occur during rolling is defect formation leading to rejection of the finished product. This work is a step towards a better understanding of the evolution of some of these defects. The evolution and reduction of cracks during shape rolling is studied in this thesis. To accomplish this, artificial longitudinal cracks are machined along bars of high speed steel. The cracks are positioned at different sites evenly distributed along the periphery in intervals of 45°. Some of the cracks are left open and some are filled with carbon or stainless steel welds. FE simulations are performed using the commercial code MSC.Marc and the results from the simulations are compared with experimental ones. Generally, simulations predict less reduction than observed experimentally. For most positions, the cracks tend to reduce most effectively followed by carbon steel welds and stainless steel welds. To evaluate the inner deformation of a cross section during shape rolling in an oval-round-oval-round series, sample bars of M2 high speed steel are prepared with grids made up by stainless steel wires. After collecting samples after each pass, they are X-rayed to create an image of the grid. The deformation of the wires can favorably be described by FE simulations of a bar originally rotated 10° when entering the first pass. The results suggest that the simulations describe the deformation during shape rolling well. / QC 20101115

By increasing the temperature at which low-pressure carburizing is performed, the process time for production of case-hardened steels decrease but run a risk of abnormal grain growth occurring during carburizing. Particles present in the steel pin the grain boundaries and can prevent this growth depending on their size and volume fraction. In this report, the grain growth and particle stability in specifically aluminium nitride containing steels are investigated through thermodynamic calculations, precipitation simulations, and mock carburizing in atmospheric- and low pressures. The results show that no or minimal grain growth occurs at lower temperatures and for steels with a higher pinning force from the particles, and that abnormal grain growth happens otherwise. This is consistent with contemporary theory and there is a promising possibility of carburizing at 1000 °C with only small changes in alloy design from current commercial alloys. A theoretical reduction of equilibrium fraction of particles was calculated at low pressures, but the experimental results were not enough to confirm nor deny its existence in practice. For the purposes of alloy design, high combined nitrogen and aluminium content is recommended for sufficient high temperature stability and an optimal ratio of aluminium to nitrogen seems to be just above 2:1. High aluminium does cause a higher coarsening rate of the particles, which needs to be considered should attempts to fully optimize design be made. / Genom att höja temperaturen vid lågtrycksuppkolning kan man förkorta processtiden markant för sätthärdade stål, men löper risken att få abnorm korntillväxt under uppkolningsprocessen. Detta kan motverkas genom att inkludera partiklar i stålet som, beroende på storlek och mängd, förhindrar korngränsernas förflyttning. I denna rapport undersöktes korntillväxten och partikelstabiliteten hos specifikt aluminiumnitridhaltiga stål genom uppkolningsliknande värmebehandlingsexperiment i både lågt och atmosfäriskt tryck, samt termodynamiska beräkningar och urskiljningskinetiska simuleringar. Resultaten påvisar att liten eller ingen korntillväxt råder vid låga temperaturer och i stål med hög tillväxtmotverkande kraft från partiklarna, emedan abnorm korntillväxt sker i övriga fall. Detta följer rådande teorier inom ämnet och det tycks finnas möjligheter att lågtrycksuppkola vid 1000 °C med endast små ändringar hos nuvarande legeringar. En teoretiskt möjlig minskning i volymfraktionen partiklar sågs i beräkningar vid lågt tryck, men de experimentella resultaten vid lågt tryck kunde varken bekräfta eller motbevisa dess existens. För legeringsdesignsyften så hjälper en hög halt av både aluminium och kväve med att behålla en hög volymfraktion av partiklar vid hög temperatur och en optimal relation mellan aluminium och kväve tycks vara något över 2:1. Dock så ökar en högre aluminiumhalt förgrovningshastigheten hos partiklarna, vilket bör hållas i åtanke vid legeringsdesign.

As a final step in the argon oxygen decarburisation (AOD) process, argon- and nitrogen gas is blown through the melt. To regulate the nitrogen content in the steel melt during this step a reliable model is needed. With data from 31 heats of the duplex stainless steel SAF2507 collected at Sandvik Materials Technology (SMT), different models are investigated. This is done by looking at the partial pressure of the nitrogen gas and the nitrogen content achieved during each heat. By calculating the nitrogen solubility in the steel melt with different models and then using Sieverts’s law, a partial pressure for the nitrogen gas is obtained for each heat and compared with the data. With adjustments done for a model obtained from J. Kijac et al., more reliable results are attained than by the model used today at SMT. It should be kept in mind that this model is based on the theory with diluted solution and is therefore not optimal for high alloyed steels, and it is suggested to develop a model from a software based on real solution such as Thermo-Calc. / I slutskedet av AOD-processen blåses argon- och kvävgas genom stålsmältan. En pålitlig modell behövs för att reglera kvävehalten i stålsmältan under det här steget. Olika modeller undersöks med data från 31 charger av det duplexa rostfria stålet SAF2507 samlad från Sandvik Materials Technology (SMT). Undersökningen sker genom att titta på partialtrycket av kvävgasen och kvävehalten som uppnåddes för varje charge. Genom att beräkna kvävelösligheten i stålsmältan med olika modeller och sedan använda Sieverts lag, kan ett partialtryck för kvävgas räknas ut för varje charge och jämföras med datan. Mer exakta resultat är uppnådda med en justerad modell hämtad från J. Kijac et al. jämfört med den modell använd på SMT idag. Att ha i åtanke är att denna modell är baserad på teori med antagande om utspädd lösning, vilket inte är optimalt för höglegerade stål och ett förslag är att utveckla en modell med hjälp av ett mjukvaruprogram som baseras på äkta lösning såsom Thermo-Calc.

The topic of this thesis is estimation of the dynamic changes of the surface temperatureand heat flux during heating processes by using an inverse method. The local transient surface temperature and heat flux of a steel slab are calculated based on measurements in the interior of the slab. The motivations for using an inverse method may be manifold. Sometimes, especially in the field of thermal engineering, one wants to calculate the transient temperature or heat flux on the surface of a body. This body may be a slab, or billet in metallurgical applications. However, it may be the case that the surface for some reason is inaccessible to exterior measurements with the aid of some measurement device. Such a device could be a thermocouple if contact with the surface in question is possible or a pyrometer if an invasive method is preferred. Sometimes though, these kinds of devices may be an inappropriate choice. It could be the case that the installation of any such device may disturb the experiment in some way or that the environment is chemically destructive or just that the instruments might give incorrect results. In these situations one is directed to using an inverse method based on interior measurements in the body, and in which the desired temperature is calculated by a numerical procedure. The mathematical model used was applied to experimental data from a small scale laboratory furnace as well as from a full scale industrial reheating furnace and the results verified that the method can be successfully applied to high temperature thermal applications. / QC 20101124

Duplexa stål är en typ av rostfria stål vars mikrostruktur består av två olika faser till lika andel, som används för att de har en mycket bra kombination av korrosionsmotstånd och mekaniska egenskaper. En viktig process vid tillverkning av duplexa stål är släckglödgning, där stålet värms och sedan snabbkyls kontrollerat för att erhålla önskade mekaniska och korrosions-beständiga egenskaper. Felaktig kylning kan dock resultera i oönskade faser, exempelvis sigma, som försämrar stålets egenskaper. Syftet med detta arbete är att undersöka kylningen av ett duplext stål från Alleima AB, kallat SAF2507. För att undersöka kylningshastighetens inverkan på de mekaniska egenskaperna har värmebehandlingar i en Gleeble maskin genomförts där kylhastgheten varierats. De mekaniska egenskaperna har sedan utvärderats med slagprovning och detta resulterade i ett linjärt samband mellan slagenergin och kylningshastigheten. Vidare undersöktes det spinodala sönderfallet vid korta tider hos stålet genom isoterma behandlingar vid 475 °C med varierande hålltid i labbugn. Slagprover och hårdhetsmätningar visade att det spinodala sönderfallet har en påverkan på egenskaperna redan efter några minuter. Analys av mikrostrukturen av det isotermt behandlade materialet visade endast mycket små skillnader mellan ett obehandlat prov och ett som hållits vid 475 °C i 20 minuter. Det spinodala sönderfallet är svårt att observera då det i så tidigt skede som detta endast är en liten skillnad i koncentration av krom i olika delar av ferriten och även med APT syntes endast en marginell skillnad. Slutligen har en rekommendation för värmebehandling tagits fram för SAF2507. Stålet bör värmas till 1100 °C och därefter släckas inte långsammare än 50 °C/s för att undvika bildandet av sigma. Sedan bör stålet inte befinna sig vid temperaturer mellan 600-300 °C i mer än 5 minuter för att undvika påverkan från spinodalt sönderfall. / Duplex stainless steel is a type of stainless steel with a microstructure consisting of two distinct phases  in  equal  proportions.   It  is  used  because  of  its  excellent combination  of  corrosion resistance and mechanical properties.  An important process in the manufacturing of duplex stainless steel is quenching, where the steel is heated and then rapidly cooled under controlled conditions to obtain the desired mechanical and corrosion-resistant properties. Improper cooling can result in undesired phases, such as sigma, which deteriorate the steel’s properties. The purpose of this study is to investigate the cooling of a duplex steel called SAF2507 from Alleima  AB.  To  examine  the  influence  of  cooling  rate  on  the  mechanical properties,  heat treatments were conducted using a Gleeble machine with varying cooling rates. The mechanical properties were then evaluated through impact testing, revealing a linear relationship between impact energy and cooling rate. Furthermore,  the  spinodal  decomposition  at  short  times  was  examined  through isothermaltreatments at 475 °C with varying holding times in a laboratory furnace. Impact testing and hardness measurements demonstrated that the spinodal decomposition has an impact on the properties even after a few minutes. Analysis of the microstructure of the isothermally treated material showed small differencesbetween an untreated sample and one held at 475 °C for 20 minutes. The spinodal decompositionis difficult to observe at such an early stage, as there is only a small difference in chromiumconcentration between different regions of the ferrite. Finally, a heat treatment recommendation has been developed for SAF2507. The steel shouldbe heated to 1100 °C and then quenched at a rate no slower than 50 °C/s to avoid the formationof sigma. Furthermore, the steel should not be held at temperatures between 600-300°C formore than 5 minutes to prevent the effects of spinodal decomposition.

The integration of biodegradable implant into the human body must meet both engineering and physiological requirements. The properties of magnesium such as low density, high specific strength and other biocompatibility properties makes magnesium and its alloy suitable for several biodegradable implant application. However, the current available magnesium alloys still rely on structural / commercial purpose alloys which are not specific to human body environment, too fast degradation and limited mechanical performance of the alloys. Additive manufacturing seems to have potential effect for magnesium alloy implant performance and production such as design and production of patient-specific implants, geometrically and mechanically adapted to the specific patient yet limited work has been done in this new area. Extensive trial-and error was already shown from previous magnesium alloys implant as implant application. A way to tackle the burden of undertaking extensive experiment is by using Computational aided alloys design. CALPHAD or CALculation of PHase Diagram is a computational modelling where all available experimental and theoretical information on phase equilibria and thermochemical properties collected into a system database. Further, ICME aims to integrate computational materials science tool into a system which accelerate materials development, design optimization process and unify design/manufacturing and ICME utilized CALPHAD as one of the methods for designing alloys. Screening possible alloying element was performed than calculation of each element effect was investigated. The effect on mechanical strengthening and possible defect induced by alloying was performed. It was found that the promising composition alloys proposed to be Mg-4Zn-(0.7-1.5 wt.%) Ca-(&lt;1wt.%) Sn and higher solute in single phase will result in higher hot tearing susceptibility index due to increasing liquidus temperature so that freezing range become wider and hinder precipitation which decrease final composition of eutectic phase. / Integreringen av biologiskt nedbrytbart implantat i människokroppen måste uppfylla både tekniska och fysiologiska krav. Egenskaperna hos magnesium såsom låg densitet, hög specifik styrka och andra biokompatibilitetsegenskaper gör magnesium och dess legering lämplig för flera biologiskt nedbrytbara implantatapplikationer. Emellertid förlitar sig de nuvarande tillgängliga magnesiumlegeringarna fortfarande på strukturella / kommersiella ändamållegeringar som inte är specifika för människokroppsmiljön, för snabb nedbrytning och begränsad mekanisk prestanda hos legeringarna. Adderande stillverkning tycks ha en potentiell effekt för magnesiumlegeringsimplantatprestanda och -produktion, såsom design och produktion av patientspecifika implantat, geometriskt och mekaniskt anpassade till den specifika patienten men ändå begränsat arbete har gjorts inom detta nya område. Omfattande försök och fel visades redan från tidigare implantat av magnesiumlegeringar som implantatapplikation. Ett sätt att ta itu med bördan på att genomföra omfattande experiment är att använda beräkningsstöd för legeringar. CALPHAD eller CALculation of Phas Diagram är en beräkningsmodellering där man samlar in och utvärderar all tillgänglig experimentell och teoretisk information tillgänglig om fasjämvikt och termokemiska egenskaper i en systemdatabas. Vidare syftar ICME till att integrera beräkningsmaterialvetenskapligt verktyg i ett system som påskyndar materialutveckling, designoptimeringsprocess och förenar design / tillverkning och ICME använde CALPHAD som en av metoderna för att designa legeringar. Screening av möjlig legeringselement utfördes än beräkning av varje elementeffekt undersöktes. Effekten på mekanisk förstärkning och möjlig defekt inducerad genom legering utfördes. Det visade sig att lovande kompositionlegeringar som föreslagits vara Mg-4Zn- (0,7-1,5 viktprocent) Ca - (&lt;1 viktprocent) Sn och högre lösta ämnen i enfas kommer att resultera i ett högre hot-rivningskänslighetsindex på grund av ökande liquidus temperatur detta frysområde blir bredare och främjar nederbörd som ökar den slutliga sammansättningen av den eutektiska fasen.

Steel quality is in direct correlation with the desulphurization process, meaning the removal of sulphur. A good desulphurization process greatly improves the mechanical properties among others, and is essential for obtaining higher quality steel. This study aims to evaluate and analyse the desulphurization capacity of ladle slags based on both thermodynamic and  kinetic properties. Data from six heats were provided by Uddeholm, four from steel grade B, and two from steel grade C, which were then analysed based on thermodynamic and kinetic parameters and their impact on the desulphurization capacity. This was done by calculating the maximum distribution of sulphur in the slag for thermodynamic equilibrium (LS,td), along with the measured sulphur distribution coefficient (LS,r). The results and observations obtained, although only measured over six heats, demonstrated a close relationship between LS,td  and LS,r for two of the heats, but bad correlation between the remaining four heats. The thermodynamic results indicated that the activity of oxygen greatly reduces the desulphurization capacity. They also indicated that the optical basicity of the slag affects the sulphide capacity (CS), with a high basicity favouring a higher CS. The compositions varied greatly in regards to carbon between the two given steel grades, obtaining a higher LS,td  for steel grade CS without much difference in the measured sulphur partition ratio. This could be an indicator of limiting kinetics in the ladle processing stage. / Stålkvalité är direkt beroende av avsvavling, d.v.s avlägsnandet av svavel. En lyckad avsvavling innebär bland annat förbättrade mekaniska egenskaper, ytterst viktigt för många applikationer. Denna studie är ämnad att analysera kapaciteten för avsvavling i skänken. Detta genomförs genom att undersöka kinetiska och termodynamiska parametrar och deras påverkan på processen. Data från sex olika smältor från Uddeholm analyserades, fyra från stål B, och två från stål C. Analysen utfördes genom att beräkna den maximala fördelningen av svavel i slaggen, i termodynamisk jämvikt (LS,td), samt den uppmätta svavelfördelningen (Ls,r). Resultaten visade på att två av smältorna hade ett bra förhållande mellan uppmätt och reellt värde på svavelupptagning, men att resterande fyra smältor hade mycket sämre förhållande. Utöver detta indikerade resultaten av undersökningen ett tydligt samband på hur syreaktiviteten minskar avsvavlingskapaciteten, men att en hög optisk basicitet främjar en högre svavelkapacitet (CS). Därutöver hade de två stålsorterna (A och B) en något varierande sammansättning, med kol som huvudsaklig skillnad. Stål C uppnådde en mycket högre svavelrening i termodynamisk jämvikt. De två stålen hade dock liknande uppmätt svavelfördelning, vilket kan tyda på att någon kinetisk faktor begränsar svavelreningskapacitet

Inclusions of different types are present in all steels. How dangerous these are for the properties of the material depends on their chemical composition and the manufacturing process. The following work examined large non-metallic inclusions in the nickel-based alloy Inconel 718 according to their composition, size, location, and number, this to find out their effect on the corrosion resistance of the material. Furthermore, a literature study was conducted where different methods were studied and experiments where the MS method (an examination of inclusions on the metal surface after electrolytic extraction) was performed for extractions at 20 and 500 Coulomb (C). The extraction depths were analyzed and proved to be suitable for different situations. Inclusions of type TiNb-S were noted to be the most dangerous for the corrosion resistance, followed by Ti(Nb)-N(C), NbTi-C, and Ti-N+Nb-C. Moreover, it was observed that the 20 C extraction had a more heterogeneous distribution of numbers of inclusions compared to 500 C. No difference in the effect on the corrosion resistance between inclusions located on grains compared to those along grain boundaries could be observed after 20 C. For 500 C, more studies need to be conducted regarding the location for a conclusion to be drawn. / Inneslutningar av olika typer förekommer i alla sorters stål. Hur farliga dessa är för materialets egenskaper kan variera beroende på stålets kemiska sammansättning och tillverkningsprocess. I följande rapport undersöktes stora icke-metalliska inneslutningar utefter deras sammansättning, storlek, position och antal. Detta för att ta reda på inneslutningarnas effekt på korrosionsbeständigheten i den nickelbaserade legeringen Inconel 718. Vidare genomfördes en litteraturstudie där olika metoder studerades samt laborationer där MS-metoden (en undersökning av inneslutningar på metallytan efter elektrolytisk extraktion) genomfördes för extraktioner på 20 respektive 500 Coulomb (C). De olika extraktions-djupen analyserades och visade sig vara lämpliga vid olika situationer. Sedan noterades att inneslutningarna med sammansättningen TiNb-S var farligast för materialets korrosionsbeständighet, följt av inneslutnings typerna Ti(Nb)-N(C) , NbTi-C och Ti-N+Nb-C. Dessutom observerades att inneslutningarna var heterogent fördelade över metallen och att fler inneslutningar upptäcktes på metallytan efter 20 C än 500 C. Ingen skillnad på påverkan på korrosionsresistensen mellan inneslutningarna placerade på korn jämfört med korngränsen kunde iakttas vid extraktionen 20 C. För 500 C behöver mer studier genomföras gällande position för att en slutsats ska kunna dras.

Analysis of the macrostructure of metallic alloys is of utmost importance as there is a direct correlation on the physical properties and some features of the structures. This is true for copper based alloys and the non-metallic inclusions (NMI) that are enclosed in their structure. Mastering methods such as numerical analysis of the NMIs could allow us to get fast and reliable information on the structure of metal alloys such as copper based alloys, especially since very little literature on NMI in Cu based alloys is available. The report consists of experimental work and research on the relevance of using an image processing software such as ImageJ combined with SEM imaging for such analysis. The impact of SEM magnification as well as Scratches due to SEM sample preparation are the biggest concern when it comes to image processing and analysis. As well as analyzing the inclusions in brass samples, the analysis of their chips is important. If ImageJ is able to reliably analyze chip area it will be easier for companies to use refining methods on the chips since the properties are measured numerically. / Analys av macro strukturerna i metalliska legeringar är väldigt viktigt för att det finns en direkt koppling till de fysiska egenskaperna och några funktioner av strukturerna. Detta är sant för kopparbaserade legeringar och de icke metalliska inneslutningarna (NMI) som är instängda i deras struktur. Att bemästra metoder såsom numerisk analys av de icke metalliska inneslutningarna kan tillåta oss att få snabb och pålitlig information på strukturen av metallegeringar som kopparbaserade legeringar, speciellt eftersom väldigt lite litteratur om NMI i kopparbaserade legeringar finns. Den här rapporten innehåller experiment arbete och forskning på relevansen av att använda en bild bearbetande mjukvara såsom ImageJ kombinerat med SEM bilder för en sådan analys. Påverkan av SEM förstoring och repor på grund av SEM prov preparationen är den största oron när det kommer till bild bearbetning och analys. Samt att analysera inneslutningarna i mässningsprov, analys av dess flisor är viktigt. Om imageJ kan pålitligt mäta flisans area så kan det bli enklare för företag att använda raffinerings metoder på dessa flisor eftersom deras egenskaper är mätta numeriskt.